气门组的主要机件

第四节气门组的主要机件气门组的主要机件有气门、气门弹簧、气门导管等。一、气门气门是由头部和杆部组成的。头部用来封闭气缸的进、排气通道，杆部则主要为气门的运动导向。图3-25气门1—杆部；2—头部(一)气门的工作条件与材料1.气门的工作条件：①它直接与气缸内燃烧的高温气体接触，受热严重，而散热(主要靠头部落座时由气门座传递散失，其次通过与杆部接触的气门导管传递散失)很困难，因而工作温度较高，排气门由于高温废气的冲刷可达800K~1100K，进气门由于新鲜气体的冲刷冷却，温度较低，但也可达600K~700K；②气门头部承受落座时的惯性冲击力；③接触气缸内燃烧生成物中的腐蚀介质；④润滑困难。2.材料：选用耐热、耐蚀、耐磨性较好的合金钢。(1)进气门：由于进排气门的工作条件不同，进气门通常用中碳合金钢，如铬钢、镍铬钢、铬钼钢等；(2)排气门：排气门由于热负荷大，一般采用耐热钢，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。有的排气门为了降低成本，头部采用耐热钢，而杆部用较便宜的和进气门一样的合金钢，二者对焊而成，尾部再加装一个耐磨合金钢帽(CA6102发动机)。还有些排气门在头部锥面堆焊或等离子喷涂一层钨钴等特种合金覆盖层，以提高耐蚀性和耐高温性，延长其使用寿命。(二)气门的一般构造1.气门头部1)气门头部的形状①凸顶：凸顶的刚度大，受热面积也大，用于某些排气门；③平顶：平顶的结构简单、制造方便，受热面积小，应用最多；③凹顶：凹顶的，也称漏斗形，其质量小、惯性小，头部与杆部有较大的过渡圆弧，使气流阻力小，以及具有较大的弹性，对气门座的适应性好(又称柔性气门)，容易获得较好的磨合，但受热面积大，易存废气，容易过热及受热易变形，所以仅用作进气门。图3-26气门的顶部形状a)凸顶；b)平顶；c)凹顶；d)漏斗形2)气门锥角(1)定义：气门锥面与气门顶平面的夹角称为气门锥角，如图所示。常用的气门锥角为300和450。(2)气门锥角的作用：①就象锥形塞子可以塞紧瓶口一样，能获得较大的气门座合压力，以提高密封性和导热性；②气门落座时有自动定位作用；③避免使气流拐弯过大而降低流速。④有了锥角，气门落座时能挤掉接触面的沈积物，即有自洁作用。图3-27气门锥角及其对气门口通道截面的影响(3)气门锥角大小的影响：①气门锥角越小，气门口通道截面越大如图所示，h'2和h'1分别表示锥角为450和300气门的气门口通道截面宽度，宽度越大则通道截面越大，通过能力越强。当气门升程h相同时，h'2h'1，即气门锥角越大，截面就越小。②锥角越大，落座压力越大，密封和导热性也越好。另外，锥角大时，气门头部边缘的厚度大，不易变形。③进气门锥角：主要是为了获得大的通道截面，其本身热负荷较小，往往采用较小的锥角，多用300，有利于提高充气效率。④排气门则因热负荷较大而用较大的锥角，通常为450，以加强散热(大约75%的气门热量从气门座处散失)和避免受热变形。也有的发动机为了制造和维修方便，二者都用450。3)气门头部直径气门头部直径越大，气门口通道截面就越大，进、排气阻力就越小。由于最大尺寸受燃烧室结构的限制，考虑到进气阻力比排气阻力对发动机性能的影响大得多，为尽量减小进气阻力，进气门直径大于排气门。另外，排气门稍小些，还不易变形。2.气门的杆部气门杆部具有较高的加工精度和较低的粗糙度，与气门导管保持有正确的配合间隙，以减小磨损和起到良好的导向、散热作用。气门杆的尾部结构与弹簧座的固定和气门的防脱装置，以及有时与气门的机油防漏装置有关。1)弹簧座的固定气门杆的尾部采用锁片式结构固定弹簧座，如图所示。气门杆尾部切有凹槽，用分成两半的锥形锁片卡住在凹槽中，锁片锥形外圆与弹簧座的锥形孔贴合，在弹簧作用下，锁片与弹簧座的锥孔相互卡紧不会脱落。2)气门的防脱装置有些发动机的气门，在杆部锁片槽下面另有一条切槽装一卡环，如图所示，以防万一气门弹簧折断时气门有落入气缸发生捣缸的危险。图3-28锁片式结构1-气门杆；2-气门弹簧；3-弹簧座；4-锁片；5-卡环3)气门油封发动机高速化后，进气管中的真空密度显著地增高，气门室中的机油会通过气门杆与导管之间的间隙被吸入进气管和气缸内，除增加机油的消耗外，还会在气门和燃烧室产生积碳。为此，发动机的气门杆上部都设有机油防漏装置，如图所示。图3-29气门机油防漏装置1-锁片；2-弹簧座；3-气门杆；4-防油罩或密封圈；5-气门导管二、气门座(一)定义：气缸盖(或缸体)的进、排气道与气门锥面相结合的部位称为气门座。它也有相应的锥角。(二)气门座的锥角气门座的锥角是与气门锥角相适应的，以保证二者紧密座合，可靠地密封。气门座的锥面由三部分组成，如图所示。图3-30气门座的锥角450(或300)的锥面是与气门工作锥面相座合的工作面，其宽度b通常为1mm~3mm，过宽时，单位座合压力减小，且易垫上杂物，密封可靠性差；过窄时，面积小，气门头散热能力差。这一锥面应与气门工作锥面的中部附近相座合。150和750锥角便是用来修正工作锥面的宽度和上下位置的，以使其达到规定的要求。(三)气门干涉角(1)定义：即气门的锥角比气门座的锥角小0.50～1.00。(2)气门干涉角的作用：①减小了二者之间的接触面积，提高了单位压力，加快了磨合速度，同时也提高了密封性；②可挤出二者之间的夹杂物，即具有自洁作用；③在气体压力作用下产生弹性变形时，可趋向全锥面接触，即随气体压力的增加，单位压力变化较小。如果干涉角相反即产生负干涉角时，便将起相反作用；④能防止加工时出现负干涉角，若产生负干涉角，除前述相反作用外，还使气门暴露在炽热燃气中的受热面积增加，使气门的热负荷增加。上述诸作用中提高密封能力和加速磨合是主要的，随着走合期的结束，干涉角也逐渐自行消除，恢复了全工作面接触。图3-31气门密封干涉角1-气门；2-气门座(四)气门座的形成1.气门座的形成1)直接形成式：直接在缸盖（或缸体）上加工出来。该种形式修复困难，且不经济。2)镶座式(1)优点：可节省好材料，提高了使用寿命，便于更换修理。所以，大多数发动机的气门座是用耐热合金钢或合金铸铁单独制成座圈，然后压入气缸盖（体）中。(2)缺点：①传热差。如排气门镶座式温度可高出500～600。②如果装配不当，会发生松脱或与缸盖配合不好，影响散热。2.是否镶座的几种情况(1)有的汽油机只排气门镶座而进气门不镶座这是因为，一方面排气门座热负荷大，另一方面发动机常在部分负荷下工作，进气管中真空度大，会从气门导管间隙内吸进少量机油，对进气门座进行润滑。(2)有的柴油机只进气门镶座而进气门不镶座这是由于柴油机的废气往往在排气过程中还有未燃完的柴油，可对排气门座进行润滑。因为柴油机没有节气门，所以无论负荷大小，进气管内真空度都比较小，难以从进气门导管处吸进机油对进气门座润滑。增压柴油机则完全排除了这种可能，进气门就更需要镶座。(3)铝合金气缸盖，进排气门都必须都镶座，因为其耐磨、耐热性差。三、气门导管1.功用：(1)给气门的运动导向。(2)为气门杆传热。2.材料：由于润滑较困难，导管一般用含石墨较多的铸铁或粉末冶金制成。以提高自润滑性能。3.防脱落结构(1)一般外表面为无台肩的圆柱形，如图所示。其外表面加工精度较高，与缸盖(体)过盈配合，以保证良好地传热和防止松脱。(2)带凸台和带卡环的导管过盈量较小，因气门弹簧下座将凸台或卡环压住，使导管轴向定位可靠，不致脱落。铝合金缸盖常用带凸台和卡环的导管，其过盈量较小，便于拆装。图3-33气门导管4.导管伸入进、排气歧管的深度(1)过深气流阻力大，对排气门来说，还因废气对导管的冲刷面积加大，提高了工作温度，而影响气门的散热；(2)过浅则气门杆受热面积加大，加大了气门杆的温度，会影响气门头部的散热。(3)措施：为解决这一矛盾，有的导管加大了压入深度，而将伸入端的内孔做成锥形，这样既减少了废气对气门杆的冲刷，也避免了导管高温部分与气门杆的接触。伸入端的外圆做成锥形是为了减小气流阻力。带凸台和卡簧的导管自然地控制了压入深度。四、气门弹簧1.作用(1)保证气门自动回位关闭而密封。(2)保证气门与气门座的座合压力。(3)吸收气门在开启和关闭过程中传动零件所产生的惯性力，以防止各种传动件彼此分离而破坏配气机构正常工作。2.要求因气门弹簧承受着频繁的交变载荷，为保证气门弹簧可靠地工作，要求气门弹簧(1)具有合适的弹力；(2)具有足够的强度和抗疲劳强度；(3)采用优质冷拔弹簧钢丝制成。钢丝表面经抛光或喷丸处理。(4)弹簧的两端面经磨光并与弹簧轴线相垂直。气门弹簧是圆柱形螺旋弹簧，如图所示，其一端支承在气缸盖(体)上，而另一端则压靠在气门杆端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的末端。3.气门弹簧防共振的结构措施当气门弹簧的工作频率与其自然振动频率相等或成某一倍数时，将会发生共振，造成气门反跳、落座冲击，并可使弹簧折断。为此，采取如下几种结构措施：(1)提高气门弹簧的自然振动频率即设法提高气门弹簧的刚度，如加粗钢丝直径或减小弹簧的圈径。这种方法较简单，但由于弹簧刚度大，增加了功率消耗和零件之间的冲击载荷。(2)采用双气门弹簧每个气门装两根直径不同、旋向相反的内外弹簧。由于两弹簧的自然振动频率不同，当某一弹簧发生共振时，另一弹簧可起减振作用。旋向相反，可以防止一根弹簧折断时卡入另一根弹簧内，导致好的弹簧被卡住或损坏。另外，万一某根弹簧折断时，另一根弹簧仍可保持气门不落入气缸内。(3)采用不等螺距弹簧这种弹簧在工作时，螺距小的一端逐渐叠合，有效圈数逐渐减小，自然频率也就逐渐提高，使共振成为不可能。不等螺距的气门弹簧安装时，螺距小的一端应朝向气门头部。这是因为弹簧工作时，承受气门杆尾端传来的冲击力，此冲击力向弹簧另一端传递因要克服弹簧本身的惯性而需要一定的时间，所以弹簧的变形，朝向气门杆尾部的一端，先于且往往大于另一端，发动机转速越高，差别越大。若将螺距小的一端朝向气门杆的尾部，则当发动机高速运转时，此端可能首先叠合在一起，此后弹簧的有效圈数基本不再变化，而且迭合后成为刚性质量而参加弹簧的振动，使振动的当量质量增加，弹簧反而容易疲劳折断。螺距小的一端朝向气门头部时，情况相反，先在螺距大的一端变形，减缓了螺距小的一端的叠合速度，可使有效圈数在整个工作过程中不断变化。而且叠合端是弹簧的静止端，不参加振动，消除了上述弊病。图3-35气门弹簧a)等螺距弹簧；b)不等螺距弹簧；c)反向螺旋弹簧(4)采用等螺距的单弹簧，在其内圈加一个过盈配合的阻尼摩擦片来消除共振，如图所示。图3-36加阻尼摩擦片的气阀弹簧五、气门间隙的调整1.气门间隙调整方法——两遍法生产实践中，普遍地采用两遍法调整气门间隙，即第一缸压缩终了上止点时，调整所有气门的半数，再摇转曲轴一周(指四冲程发动机)便可调整其余半数气门。2.气门间隙调整原则——气门在完全关闭的情况下，才能调整气门间隙。即挺柱(或摇臂)必须落在凸轮的基圆上才可调整。由于气门开始开启和开始关闭时，挺柱(或摇臂)是在凸轮的缓冲段内某点上，而且配气相位往往产生一定的偏差，所以不仅气门开启过程不能调，而且将要开启和刚关闭不久的一段时间内也不能调。根据该原则，则气门在六种状态下不能调：(1)正在进气，则进气门不能调；(2)正在排气，则排气门不能调；(3)将要进气，则进气门不能调；(4)将要排气，则排气门不能调；(5)刚进气完，则进气门不能调；(6)刚排气完，则排气门不能调。3.用配气相位图分析可调间隙的气门表3-1所示是一种六缸发动机在一缸作功开始时，各缸异名凸轮相对挺柱的位置关系。根据调整原则结合表中的图可以看出：一缸压缩终了，双门关闭，均可调；六缸排气终了，双门叠开，均不可调；五缸压缩过程，距“进关”很近，属“进气刚完”，进气门不能调，距“排开”、“排关”都很远，排气门可调；二缸“正在排气”，排气门不可调，距“进开”尚远，进气门可调；三缸“正在进气”，进气门下可调，距“排关”已远，排气门可调；四缸作功过程，已距“排开”很近，属“将要排气”，排气门不可调，距“进开”“进关”都很远，进气门可调。综上分析，一缸压缩终了时，可