汽车气门组-性能和更换要点

气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座及锁片等,如图4-9所示。它的主要作用是:准时接通和切断进气系统与气缸之间的通道。

1.气门

气门的工作条件非常恶劣,它直接与高温燃气接触,受热严重,而散热困难,因此气门温度很高,进气门可达600～700K(327～427℃),排气门可达1000～1200K(727～927℃)。气门头部要承受气体压力、气门弹簧力及传动组零件惯性力的作用,使气门落座时受到冲击;气门在冷却和润滑条件极差的情况下,以极高的速度关闭并在气门导管内作高速往复运动;气门由于与高温燃气中有腐蚀性气体接触而受到腐蚀。因此,要求气门必须具有足够的强度、刚度以及耐热、耐磨和耐蚀能力。

由于进气门的热负荷较小,材料通常采用合金钢(如铬钢或镍铬钢、鉻鉬钢等),排气门热负荷大,一般采用耐热合金钢(硅铬钢等)。有的排气门为了降低成本,头部采用耐热钢,而杆部用铬钢,然后将二者焊在一起。

气门头顶部的形状有平顶、凸顶和凹顶等,如图4-10所示。目前应用最多的是平顶气门,其结构简单,制造方便,受热面积小,进排气门都可以使用。凸顶气门的排气阻力小,刚度较大,但其受热面积及运动质量大,可用于排气门。凹顶气门的头部与杆部有较大的过渡圆弧,气流阻力小,但其顶部受热面积大,所以仅可用作进气门。

图4-9　气门组

1—气门;2—锁片;3—弹簧;4—气门;5—油封;6—气门导管;7—弹簧座

图4-10　气门头部结构型式

(a)平顶式;(b)凸顶式;(c)凹顶式

图4-11　气门锥角

1—气门座;2—气门;3—气门弹簧

气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封。气门锥面与顶面之间的夹角称为气门锥角,如图4-11所示。采用锥形工作面能在气门落座时有良好的自动对中作用,获得较大的气门座合压力,并且提高了密封性和导热性。此外,锥面可避免气流拐弯过大而降低流速,同时气门落座时能挤掉接触面的沉积物,具有自洁作用。进排气门的锥角一般为45°。

在气门升程相同时,气流通道截面随着气门锥角的减小而增加,通过能力增强。但同时气门头部边缘厚度减小,因此使得密封性、导热性变差。所以少数发动机进气门锥角为30°。例如东风康明斯6B系列柴油机每缸采用2个气门,进气门锥角做成30°,排气门锥角做成45°。气门头的边缘应保持一定的厚度,一般为1～3mm,以防冲击损坏和被高温烧蚀。

为了保证气缸进气充分,在结构允许的条件下,气门头部直径尽可能做得大些。由于气门尺寸受燃烧室结构的限制,考虑到进气阻力对发动机性能的影响较大,为了减小进气阻力,提高气缸的充气效率,多数发动机进气门头部直径做得比排气门略大一些,通常,进气门头部直径比排气门大15%～30%。

早期发动机的每个缸一般采用一个进气门和一个排气门,现在许多发动机为了保证换气性能,采用了两个以上的进气门和排气门,或五气门(三个进气门和两个排气门)。在气缸直径一定的情况下,气门数增多,气门通道面积大,进排气充分,进气量增加,发动机的功率和转矩提高。同时,由于气门尺寸减小,增大了气门刚度,质量减轻,惯性力减小,有利于提高发动机的转速。缺点是增加了零件数量和结构的复杂性,加工成本较高。更换气门时,通常应成组更换,并应同时更换气门油封、气门座。

气门杆呈圆柱形,它在气门导管中频繁地进行上、下往复运动。因此,要求有较高的加工精度和表面粗糙度,同气门导管保证一定配合精度和耐磨性,起到良好的导向和散热作用。(www.xing528.com)

气门杆尾部结构与气门和弹簧座的连接方式有关,通常采用锁片式固定方式。如图4-12所示。常用的结构是用剖分的锥形锁片来固定气门弹簧座,在气门弹簧的弹力作用下,弹簧座圈内锥面压住两个半锥形锁片,使其紧箍在气门杆尾部。有些发动机的气门,在杆部锁槽下面另有一条切槽装卡环,以防气门或气门弹簧折断时,气门掉入气缸中。

图4-12　气门弹簧座固定方式

(a)锁片式;(b)锁销式
1—气门杆;2—气门弹簧;3—弹簧座;4—锁片;5—锁销

图4-13　气门座和气门导管

1—气门导管;2—卡环;3—气缸盖;4—气门座

2.气门座

气缸盖上与气门锥面相结合的部位称为气门座,如图4-13所示。气门座的作用是靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合密封气缸,并对气门起到散热作用。气门座可在气缸盖上直接加工出来,也可以用奥氏体钢或合金铸铁单独制成一个座圈,然后镶嵌到气缸盖上,以提高气缸盖的使用寿命,并便于修理更换。

为保证良好的密封性能,装配前应将气门头与气门座圈的密封锥面互相配对研磨,研磨后气门与气门座圈形成一条宽1～2mm的密封带。密封带不宜过宽,否则,工作面比压降低,密封性能下降;但密封带也不宜过窄,否则,密封面易磨损起槽,且影响气门头部的散热。

3.气门导管

气门导管的作用是对气门的运动进行导向,保证气门作往复直线运动,使气门与气门座贴合良好,把气门的部分热量传给气缸盖。

气门导管的工作在高温环境之中,气门杆在导管中运动时,仅靠配气机构飞溅的机油进行润滑,为改善润滑性能,气门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。

气门导管为圆柱形管,与缸盖的配合有一定的过盈量,以保证良好地传热和防止松脱。为了防止气门导管在使用过程中脱落,有的发动机对气门导管用卡环定位,如图4-13所示。气门杆与气门导管之间一般留有0.05～0.12mm的间隙,保证气门杆能上下往复运动时不发生径向摆动,准确落座,与气门座正确贴合。

4.气门弹簧

气门弹簧的作用是保证气门及时关闭以及和气门座紧密贴合;在气门开启时,保证气门及各传动件不因运动时产生的惯性力而互相脱离。因此,要求气门弹簧应具有合适的刚度、安装预紧力和抗疲劳强度。

气门弹簧多为等螺距圆柱形螺旋弹簧。其材料为高碳锰钢、铬钒钢等冷拔钢丝,加工后要经过热处理。为提高其抗疲劳强度,增强弹簧的工作可靠性,钢丝一般经磨光、抛光或喷丸处理。弹簧的两端面经磨光并与弹簧轴线相垂直。气门弹簧的一端支承在气缸盖或气缸体上,而另一端则压靠在气门杆末端的弹簧座上。

每个气门上通常装有一个或两个圆柱形螺旋弹簧。为防止气门弹簧发生共振,可采用变螺距圆柱形弹簧。许多发动机每个气门都装有直径不同旋向相反的内外两个弹簧,它们同心地安装在气门导管的外面。由于两弹簧的自振频率不同,当某一弹簧发生共振时,另一弹簧可起减振作用;当一根弹簧折断时,另一根仍可以继续工作;当弹簧旋向和螺距不同时可防止折断的弹簧卡入另一个弹簧圈内;采用双弹簧不仅可以提高气门弹簧的工作可靠性,而且还可以降低弹簧的高度尺寸,从而降低内燃机高度。此外还有些发动机在气门弹簧内圈加一个过盈配合的阻尼摩擦片来消除共振。东风康明斯6B系列柴油机和东风EQ6100汽油机均采用了单个弹簧。而斯太尔WD615柴油机及BJ492Q汽油机则采用了双气门弹簧。