配气机构的零件和组件

配气机构的零件和组件

四冲程气门式配气机构一般都由气门组和气门传动组两部分组成。不同型式的配气机构，气门组结构差异不大，但气门传动组结构差别很大。

3.3.1 气门组

气门组包括气门、气门座、气门导管及气门弹簧等零件，如图3-3-1 所示，有的进气门还设有气门旋转机构。

3.3.1.1 气门的工作条件与材料

承受热负荷、机械负荷、冲击且冷却润滑困难。

为了保证气门的正常工作，除了在结构上采取措施外，还应当选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。根据进、排气门工作条件的不同，进气门采用一般合金钢 ( 如 40Cr 、 35CrMo 等 ) 即可，而排气门则要求用高铬耐热钢 ( 如 4Crl0Si2Mo 和 4Cr9Si2 等 ) 制造。

3.3.1.2气门

气门是保证发动机工作性能良好和可靠性、耐久性的重要零件之一。对气门的主要要求是在任何情况下都必须保证燃烧室的气密性。

气门由头部和杆部组成，如图3-3-2 所示。

气门头部

(1) 气门顶形状（如图3-3-3 所示）

球面顶：这种气门顶面具有最大的强度，但吸热面大，质量也大。球面对排气阻力有利，适于作排气门。

喇叭形顶：这种气门顶与杆部过渡具有一定的流线形，可减少进气阻力。但受热面大，一般用在高功率和赛车发动机上作进气门。

平顶：这种气门顶吸热量少，制造简单，若用较大一点圆弧连接则流动阻力也小，故是所有发动机中最常用的形式。

改良形内凹顶：它是介于喇叭形顶与平顶之间的一种形式。它制造比喇叭形顶有改进，故也有应用。

(2) 气门锥角

气门与气门座之间的配合面做成锥面，如图3-3-4 所示，以便落座时自行对正中心，接触良好。气门密封锥面并不是以全宽参加工作，从降低热负荷出发，希望接触带宽些，但接触带过大时，工作面比压下降，杂物和硬粒卡在气门锥面与气门座面之间不能很好碾碎，

妨碍密封性。为了保证密封可靠，气门与气门座相配研磨后，要求得到 l ～ 2mm 宽的密封带。

气门锥角对气门头部与气门座的密封性和导热性，以及气门的刚度都有影响，一般多采用 45°，有的采用 30°，个别情况下也有用 60°或 15°的。

(3) 气门直径

进气门直径一般大于排气门直径。这是由于进气阻力对发动机动力性的影响比排气阻力大得多 ( 尤其对汽油机而言 ) 。在受限制的燃烧室空间 ( 考虑到燃烧室的紧凑性、发动机的尺寸等 ) 内布置的进、排气门，显然应当适当加大进气门直径，并适当减小排气门直径。有时为了加工简单，把进、排气门直径做成一样，在这种情况下，往往在排气门头部刻有排气标记，以防装错。

气门头部到气门杆的过渡圆弧一般都比较大，以减少气流阻力，同时也增加强度，改善气门头部的散热。

气门杆部（如图3-3-5 所示）

气门杆部用来为气门运动时导向、承受侧压力并传走一部分热量。气门杆的圆柱形表面需经磨光。有的发动机排气门杆加粗，以利于传热，降低排气门的温度。但出于工艺上的考虑，绝大多数发动机的进、排气门杆制成一样粗。

(1) 弹簧座的固定

杆部尾端的形状决定于弹簧座的固定方式。常用的固定方法有两种：一是在气门杆端制有凹槽，其中嵌入制成两半的锥形锁环(锁片)，利用弹簧座的锥形内表面将锁环卡住；二是气门杆端制有圆柱形径向通孔，利用插在孔内的锁销来支承承弹簧座，而弹簧座的边缘又可阻止锁销松脱。

(2) 防落装置

为了防止当气门弹簧万一折断时气门落入气缸造成严重事故，可在气门杆尾部加工一个环形槽，在槽内装上弹簧卡环，如图3-3-6 所示。一般环形槽的位置相应于气门最大升程后可再下降 1 ～ 2mm 。

(3) 机油防漏装置

由于进气管中有一定真空度，气缸盖上的机油会通过气门与导管之间的间隙漏到进气门上。为了减少机油损耗和气门上沉积物的数量，在有些发动机进气门杆上部压有橡胶挡油罩，以避免机油过多地漏入进气门中去。 492Q 型汽油机即采用这种结构，如图 3-3-7 所示。

(4) 气门旋转装置

为了改善密封锥面和气门杆的工作，有许多发动机的气门装有使之可能相对于气门座旋转的装置，如图3-3-8 所示。气门缓慢旋转时在密封锥面上产生轻微的摩擦，有自洁作用，妨碍沉积物的形成，减轻不均匀磨损，同时可使气门头部沿圆周温度均匀，减小气门变形的可能性。气门旋转时，气门杆的润滑条件也得以改善，气门杆中形成的沉积物也可减少。实践证明，采用旋转机构后，气门的使用期限可以大大提高。

3.3.1.3 气门座

气门座与气门共同执行密封功能，可以直接在气缸盖 ( 气门顶置时 ) 或气缸体 ( 气门侧置时 ) 上镗出，也可以用耐热钢、球墨铸铁或合金铸铁单独制成，然后压入气缸盖或气缸体的相应孔中，后者称为镶嵌式气门座，如图3-3-9 所示。

车用汽油机经常在部分负荷下工作，由于节气门开度不大，进气被节流，进气管道中真空度较大，进气门可以经常得到经由气门导管吸人的机油的润滑，故可以不镶气门座。而排气门的工作条件就恶劣得多，因此大多镶有气门座。

柴油机有些是进、排气门均镶座，以提高耐磨性。有些则是进气门镶座、排气门不镶座。这是因为柴油机的排气门经常受到由于燃烧不完全而夹杂在废气中的柴油和机油等的润滑而不致强烈磨损，而进气门由于通过导管漏入的机油少 ( 柴油机无化油器，进气管内真空度较小，虽然汽车柴油机经常在部分负荷工作，但柴油机的负荷不是用如汽油机那样的节气门来控制，进气管内的真空度不会因负荷减小而增加 ) 。气门直径又较大，在很高的气体压力作用下挠曲变形较大，致使在密封锥面上发生微量的相对滑动，磨损比较严重。

对于增压柴油机来说，由于完全排除了从气门导管获得机油的可能，进气门座的磨损尤显突出。因此，进气门就更需要镶座，而且往往采用 30°的气门锥角，以抵消因弯曲而引起的锥面上的相对滑动。例如 135 系列柴油机采用增压后，把原 45°锥角改为 30°，此外还添加了进气门旋转机构。

3.3.1.3 气门导管

气门导管的主要功用是保证气门直线运动，使气门与气门座正确配合，如图3-3-10 所示。

气门导管的材料一般为铸铁或球墨铸铁。近年来我国广泛应用铁基粉末冶金导管，它在不良润滑条件下工作可靠、磨损很小，同时工艺性好、造价低。

一般导管的外表面也制成圆柱形，没有台肩，以便于在大量生产条件下用无心磨床高效率地生产。导管加工后压入气缸盖 ( 顶置 ) 或气缸体 ( 侧置 ) 的导管孔中，由于压入后

会有变形，故内孔的精铰在压入后进行。由于导管外表面无台肩，压入时的正确位置用专用工具保证，如图3-3-11 所示。

为了防止气门导管自动下落掉入气缸 ( 气门顶置时 ) ，有时在其露出气缸盖部分嵌有卡环。一般情况下，只要装配时保证一定的过盈是不会发生上述事故的，故可不另采取措施。采用铝缸盖的发动机 ( 如 492Q 型汽油机 ) ，为安全起见，在导管上嵌有卡环。

3.3.1.4 气门弹簧

气门弹簧的作用是使气门迅速回位，紧密闭合。

气门弹簧一般是用弹簧钢丝制成的圆柱形螺旋弹簧，其一端支承在气缸盖 ( 或气缸体 ) 的相应凹槽内，另一端压在与气门杆端连接的弹簧座上，如图3-3-12 所示。

气门弹簧应当有足够的弹力，而且安装时必须给予一定的预紧力。如果使用质量不高、刚性不足的弹簧，将不同程度地导致发动机噪音增加，磨损加剧，密封不可靠，动力性和经济性下降。

气门弹簧在工作中可能会发生共振，这是应当避免的。可以采用变螺距弹簧来预防共振，弹簧在工作时，螺距较小的一端逐渐迭合，有效因数不断变化 ( 减少 ) ，因而固有振动频率也就不断变化 ( 增加 ) ，共振便成为不可能。变螺距弹簧安装时应将较小螺距的一端压向气门座，否则，由于工作时参加振动的当量质量增加，反而容易折断，如图3-3-13 所示。

也可以采用双弹簧结构，如图3-3-14 所示，两个弹簧的刚度不同，固有频率不同，若一个弹簧进入了共振工况，另一个弹簧可起减振作用。采用双弹簧不仅可以防止共振，而且还可起安全作用，因为如果其中一个弹簧折断，另一个弹簧尚能继续工作，不致立即发生气门落入气缸的事故。采用双弹簧时，内外弹簧的螺旋方向应相反，以免互相干扰，当一个弹簧断裂时，不致嵌入另一弹簧圈内，使另一弹簧卡住造成配气机构零件的损坏。在高速发动机中，还可在弹簧内圈加阻尼摩擦片来消除共振。

3.3.2 气门传动组

3.3.2.1 功用和组成

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。

气门传动组主要包括凸轮轴、正时齿轮、挺柱及其导管，有的还有推杆、摇臂和摇臂轴等，如图3-3-15 所示。

3.3.2.2 凸轮轴

凸轮轴上主要有各缸进、排气凸轮，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。汽油机的凸轮轴布置在气缸的侧面下方时，一般将驱动汽油泵的偏心轮和驱动分电器的螺旋齿轮也设置在凸轮轴上，如图 3-3-16a ）所示。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此凸轮表面要求耐磨，凸轮轴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 3-3-16a ）所示的 BJ2023 型汽车的 492QA 发动机的凸轮轴有五个轴颈。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，为了安装方便，凸轮轴各轴颈直径是做成从前向后依次减小的。

凸轮轴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。凸轮和轴颈的工作表面一般经热处理后精磨，以改善其耐磨性。

由图 3-3-16 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隙时间的要求。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。

凸轮的轮廓（图3-3-17）应保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求，且使气门有合适的升程 ( 它决定了气门通道面积 ) 及其升降过程的运动规律。凸轮轮廓形状如图 3-3-17 所示。Ｏ点为凸轮旋转中心。 EA 为以Ｏ为中心的圆弧。当凸轮按图中箭头方向转过弧 EA 时，挺柱不动，气门关闭。凸轮转过 A 点后，挺柱 ( 液压挺柱除外 ) 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，气门开度达最大。至 D 点，气门闭合终了。φ对应着气门开启持续角，ρ1 和ρ2 则分别对应着消除和恢复气门间隙所需的转角。凸轮轮廓 BCD 段的形状，决定了气门的升程及其升降过程的运动规律。

在一根凸轮轴上，各缸的同名凸轮彼此间的夹角称为同名凸轮配角，它应符合发动机的工作顺序；同一缸的异名凸轮彼此间的夹角称为异名凸轮配角，它应保证一个工作循环中对进、排气门开闭时间的要求。根据这一原则，四缸四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周而凸轮轴只旋转一周。如发动机的工作顺序 1-2-4-3 ，各缸同名凸轮配角为曲轴的连杆轴颈配角的一半，即 180°／ 2 ＝ 90°。四冲程发动机同缸异名凸轮配角的理论值为 90°，实际上由于气门的早开迟闭，它往往要大于 90°。

凸轮轴轴承

当采用分开式结构时，轴承座与轴承盖用铝合金材料，轴承与轴之间不再加装轴衬；当采用整体式的轴承时，在轴与轴承之间往往装有衬套，此衬套可以是钢衬套、铝衬套、粉末冶金衬套或是青铜衬套。

由于凸轮轴的驱动齿轮通常采用圆柱螺旋齿轮，有的大型车辆发动机上还采用圆锥齿轮驱动，因此凸轮轴不可避免地受到一定的轴向力。为了保持凸轮轴轴向位置的正确性，凸轮轴需要轴向定位。常用的轴向定位方法有以下几种：

止推轴承定位

如图 3-3-18a) 所示，止推轴承定位，也就是控制凸轮轴的第一轴颈 2 上的两端凸肩与凸轮轴承座之间的间隙⊿，以限制凸轮轴的轴向移动。 12150L 柴油机的凸轮轴就是采用这种止推方式。

止推片轴向定位

如图 3-3-18b) 所示，止推片 4 安装在正时齿轮 3 与凸轮第一轴颈 5 之间，且留有一定的间隙，从而限止了凸轮轴的轴向移动量。调整止推片的厚度，可控制轴向间隙大小。

止推螺钉轴向定位

如图 3-3-18c) 所示，止推螺钉 7 拧在正时齿轮室盖 6 上，并用锁紧螺母锁紧。调整止推螺钉拧入的程度就可以调整凸轮轴的轴向移动量。车用发动机凸轮轴的轴向间隙一般为0.10 ～ 0.20mm 。

3.3.2.3 正时齿轮

正时齿轮传动为凸轮轴的常见驱动方式，正时齿轮包括曲轴正时齿轮和凸轮轴正时齿轮，它们分别用半圆键装在曲轴和凸轮轴的前端，传动比为 2 ： 1 。为了使齿轮啮合平顺，减小噪音，正时齿轮一般采用斜齿轮。

3.3.2.4 挺柱

挺柱是凸轮的从动件。它的作用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆，承受凸轮传来的侧向力，并将此侧向力传给发动机机体。

挺柱有平面挺柱、滚子挺柱和液压挺柱多种。

平面挺柱

如图 3-3-20a) 、 b) 、 c) 所示，平面挺柱由作为工作面的圆盘 ( 平面或微凸面 ) 和起导向作用的圆柱体组成。在挺柱的内部或顶部有球窝，与推杆上的球头相配合。为保持两者之间的润滑油膜，球窝的半径要略大于球头的半径。挺柱的工作面直接与凸轮相接触，是

一对高摩擦副，在工作中产生很大的摩擦与磨损。为了减轻挺柱工作面的局部磨损，一般可采取以下三种方法：

1) 将挺柱工作面作成半径较大的球面 ( 其球半径 R ＝ 500 ～ 1000mm) ，将凸轮的母线作成斜率很小的锥体 ( 其母线斜角β为 7 ˊ～ 15 ˊ ) ，这样可使挺柱在工作中绕其中心线稍有转动，从而达到磨损均匀的目的 ( 图3-3-21) 。

2) 挺柱工作面是平面，凸轮是柱体，但在安装中使挺柱中心线与凸轮中心线不相重合，而是具有一定的偏心量 (e ＝ 1 — 3mm) 。这样，在工作时也可使挺柱绕其中心线产生一定的转动。

3) 挺柱外表面做成两端小，中间大的桶形。当挺柱在座孔中歪斜时，由于它的自位作用，仍可保证凸轮型面全宽与挺柱表面相接触，从而可减小接触应力，井使磨损均匀。

平面挺柱由于结构简单、质量轻，被广泛地用于车用发动机上。

滚子挺柱

如图 3-3-20d) 所示，滚子挺柱结构比较复杂，质量也比较大，一般用于缸径较大、转速较低或具有特殊要求的发动机上。

液压挺柱

由于配气机构中存在间隙．在高速运行时会产生很大的振动和噪声，这对某些要求行驶平稳与低噪声的车用发动机来说是很不适宜的，因此出现了一种液压挺柱，它直接放在凸轮与气门之间，如图 3-3-22a) 所示。液压挺柱由外体 10 ，内体 9 ，活塞 4 ，单向阀 7 ，单向阀弹簧 12 ，活塞回位弹簧 14 等组成，如图 3-3-22b) 所示。在各个零件组装到外体上后，再把外体组件与上盖 1 焊接在一起，成为不可拆卸的整体。内体 9 的内、外表面分别与活塞 4 外表面和外体 10 内表面良好的配合。整个挺柱形成三个空间，即贮油室Ⅰ、Ⅱ和高压油腔Ⅲ。

液压挺柱的工作过程如下：

1) 当凸轮没有压下液压挺柱时，挺柱处于图 3- ３－２２ c) 的位置。发动机润滑系中带压力的机油通过设在气缸盖上的专门油道，经外体上的环形油槽、供油斜孔 11 进入贮油室Ⅰ，并通过上盖 1 上的溢油槽 2 进入贮油室Ⅱ，再克服单向阀弹簧 12 的弹力顶开单向阀进入高压油腔Ⅲ。这时贮油室Ⅰ、Ⅱ和高压油腔Ⅲ都充满机油，其压力等于气缸盖油道内的压力。活塞 4 在活塞回位弹簧 14 作用下，顶在上盖 1 上。

2) 当凸轮开始下压液压挺柱时，外体 ( 连上盖 )10 和活塞 4 被压下，内体 9 因气门杆的反力，被推向上盖 1 ，如图 3- ３－２２ d) 的位置，压缩高压油腔Ⅱ。油腔中的

一部分油通过内体 9 与活塞 4 间的泄漏间隙挤出，使油腔容积缩小。由于内体 9 的高速向上运动，产生很强的节流作用，油腔内的油压仍然很快增高。单向阀 7 在高压油压和单向阀弹簧 12 的作用下关闭，切断了它与贮油室Ⅰ、Ⅱ的连接通道。与此同时，由于内体 9 向上运动，顶到上盖 1 上并占据了贮油室Ⅰ内的相应的空间，使贮油室容积减小。多余的机油则通过内体 9 与外体 10 间的导向间隙 8 和外体 10 上的进油孔 ( 在开始某一时间进油孔尚未完全切断 ) 挤走。这时高压油腔内的机油，由于它的不可压缩性使挺柱外体、内体与活塞成为一个刚体，按凸轮的运动规律，使气门逐渐开启，再逐渐关闭。

3) 当凸轮转到基圆位置，不再压液压挺柱时，挺柱回到原始位置，挺柱外体 10 上的环形油槽又对准气缸盖上的专门油道．挺柱内体 9 在高压油腔 13 内的油压与活塞四位弹簧 14 的作用下向下运动，顶在气门杆上，消除挺柱与气门杆之间的间隙，挺柱回到原始位置。贮油室Ⅰ和高压油腔Ⅲ由于体积增大，油压下降，这时气缸盖上的专门油道正好与挺柱外体上的环形油槽相通，带压力的机油，进入贮油室Ⅰ、Ⅱ和高压油腔Ⅲ。

有的液压挺柱，它不是直接放在凸轮与气门之间，而是放在凸轮与推杆之间。液压挺柱就是靠液压缸的相对位移来代替 ( 或补偿 ) 气门的预留间隙。实际上，在凸轮与气门之间还是需要有空行程的。液压挺柱减少了配气机构的撞击噪声，在高级轿车上得到广泛应用。但结构复杂，加工精度高，是不可拆卸的组件，磨损后无法调整，安装前须将液压挺柱中的空气排除，以免工作时产生额外噪声。

3.3.2.5 挺柱导管

挺柱导管为挺柱运动的轨道，它分为可拆式和不可拆式两种。图 3-3-23 为解放 CA6102 型发动机的可拆式挺柱导管架，用螺钉固定在气缸体上。在装配可拆式挺柱导管架时，前后两导管架不可互换使用，以保证挺柱与气门的正确配合。

3.3.2.6 推杆

其作用是将凸轮轴经挺柱传来的推力传给摇臂。图3-3-24 所示为几种推杆的型式。为了减轻质量，推杆多采用空心钢管，并在两端焊有或镶有不同形状的端头。端头经过淬火和光磨，以增加其耐磨性。

3.3.2.7 摇臂

其作用是将推杆传来的力改变方向以开启气门。它是一个以轴孔为支承、两臂不等长的双臂杠杆，如图3-3-25 所示。长臂用来推动气门，这样，可使推杆以较小的行程得到较大的气门开度，减少传力机件的惯性力。为了提高耐磨性，长臂端与气门尾端接触处经淬火后磨光。短臂端有螺纹孔，拧入调整螺钉。螺钉的球面端头与推杆顶端球座接触。短臂端

还钻有油道，机油从主油道经摇臂轴中空部分流入。在摇臂工作时，机油间歇交替地润滑两端运动的接触表面，再由调整螺钉中心孔流回油底壳。

3.3.2.8 摇臂轴

摇臂轴为钢制空心管状，用来套装摇臂。它通过摇臂支座用螺柱固定在气缸盖上。各摇臂之间装有弹簧，其张力将摇臂紧压在支座两侧的磨光面上，以防止摇臂轴向移动。摇臂与轴之间装有青铜衬套。为了保证摇臂轴总成正常工作，要求摇臂轴与衬套、支承座座孔之间有良好的配合，配合间隙一般为 0.02 ～ 0.05mm 。

还有一种无噪声摇臂，其结构及工作过程如图 3-3-28 所示。凸环的作用是消除气门和摇臂之间的间隙，从而消除由此产生的冲击噪声，它以摇臂一端为支点，靠在气门杆的端面上。当气门关闭时，在弹簧作用下，柱塞推动凸环向外摆动，消除气门间隙。当气门开启时，推杆向上运动推动摇臂，由于摇臂已经通过凸环，与气门杆部处在接触状态，因而不会产生冲击噪声。