汽车发动机配气机构主要部件及检修

配气机构通常由气门组和气门传动组两部分组成。如图4-11所示。

图4-11　桑塔纳2000　AFE发动机的配气机构组成意图

一、气门组

气门组主要是由气门、气门导管、气门座、气门弹簧及弹簧座、气门锁片等组成。如图4-12所示。

图4-12　气门组的基本组成

1.气门：分为进气门（截面积大）和排气门（截面积小）两种，都有头部和杆部组成。

（1）功用：

燃烧室的组成部分，是气体进、出燃烧室通道的开关，承受冲击力、高温冲击、高速气流冲击。

（2）工作条件：

① 进气门570 K—670K ，排气门1 050 K—1 200 K。

② 头部承受气体压力、气门弹簧力等。

③ 冷却和润滑条件差。

④ 被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。

（3）性能：强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、耐磨。

（4）组成：由头部和杆部组成。

图4-13　气门结构

（5）气门头部形状：有平顶、凹顶和凸顶三种，如图4-13所示。平顶气门结构简单，制造方便，受热面积小，进、排气门都可使用，目前应用最多。

2.气门座

气缸盖的进、排气道与气门锥面相结合的部位，如图4-14所示。

图4-14　气门座结构形式

（1）作用：靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合密封气缸，接受气门传来的热量。

（2）气门密封干涉角：比气门锥角大0.5—1度的气门座圈锥角。

3.气门锁片

气门锁片的固定方式：有锁片式和锁销式两种，如图4-15所示。

图4-15　气门杆尾端形状与气门弹簧的固定方式

4.气门锥角

气门头部与气门座（或气门座圈）之间靠锥面密封，气门锥面与气门顶面的夹角，称为气门锥角。多数发动机的进气门做成30°锥角，以利于进气；排进门做成45°锥角，以提高其强度。如图4-16所示。

图4-16　气门锥角

5.气门导管

为气门的运动导向，保证气门直线运动兼起导热作用。如图4-17所示。

6.气门弹簧

气门弹簧的结构如图4-18所示。

气门弹簧的功用是使气门迅速回位，保证气门与气门座的密封。另外还用于吸收气门在开闭过程中各传动件所产生的惯性力，以防止各传动件彼此分离而破坏配气机械的正常工作。

为了防止气门弹簧发生共振，常采用变螺距弹簧或双气门弹簧。变螺距弹簧是利用其在工作时，由于螺距小的一端逐渐叠合，使其自振频率不断变化来避免共振。安装时螺距较小的一端应朝向气缸盖，不能装反，如图4-18b所示。双气门弹簧是在每个气门上同心安装内、外两根气门弹簧，由于两者的自振频率不同，当某一弹簧发生共振时，另一根弹簧可起到减振的作用。采用双气门弹簧时，内、外弹簧的旋向应相反，以免相互干涉，如图4-18c所示。

图4-17　气门导管结构

图4-18　气门弹簧结构

7.气门间隙

气门间隙是指冷车状态时在气门关闭情况下，气门杆尾端与摇臂（或挺柱、凸轮）之间的间隙。如图4-19所示。

图4-19　气门间隙

气门间隙过大和过小的危害：过小，热态下关闭不严，导致漏气，使发动机功率下降。过大，造成传动件相互撞击，加速磨损，同时气门开度小，导致进气不充分，排气不彻底。

二、气门传动组

气门传动组是由正时齿轮、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂及摇臂轴等组成。

气门传动组的功用是产生并传递周期性的驱动力，控制各缸气门的开闭时刻及开启规律，使其符合发动机的工作顺序和配气要求。

1.凸轮轴

凸轮轴的作用是驱动和控制各缸气门的开闭时刻及开启规律，使其符合发动机的配气要求。凸轮轴下置式配气机械中，凸轮轴还用来驱动汽油泵、机油泵和分电器等装置。(www.xing528.com)

工作条件：承受气门间歇性开启的冲击载荷。

材料：优质钢、合金铸铁、球墨铸铁

（1）结构

凸轮轴的结构如图4-20所示。凸轮轴主要由凸轮和凸轮轴轴颈等组成，下置式凸轮轴上还有驱动机油泵、分电器的螺旋齿轮和驱动汽油泵的偏心轮，如图4-20所示。凸轮轴上置式配气机构中，单凸轮轴一般将进、排气凸轮布置在同一根凸轮轴上，如图4-21a所示。双凸轮轴结构中，一根是进气凸轮轴，上面布有各缸的进气凸轮；另一根是排气凸轮轴，上面布有各缸的排气凸轮，如图4-21　b所示。

图4-20　凸轮轴结构

图4-21　上置式凸轮轴结构

凸轮轮廓形状如图4-22所示，O点为凸轮轴的转动中心，EA弧段为凸轮的基圆，当凸轮按图示方向转过EA弧段时，挺柱在低位不动，气门处于关闭位置。凸轮转至A点时，挺柱开始移动，到达B点气门间隙消除，气门开始开启，到C点时气门开度最大。然后气门逐渐关小，到D点时气门关闭，当到E点时，挺柱又处在低位，气门间隙产生。凸轮轮廓BCD弧段为凸轮的工作段，其形状决定了气门开闭的快慢、开度的大小、开启的持续时间以及配气机构各零件的运动规律。

图4-22　凸轮轮廓形状与气门升程

为了保证配气机构的正常工作，凸轮在凸轮轴上的相对角位置有严格的要求。凸轮轴上各缸的进气（或排气）凸轮，即同名凸轮的排列与凸轮轴的转动方向、各缸的工作顺序和作功间隔角有关。凸轮轴顺时针转动（从前往后看）的四缸发动机，点火顺序为1-3-4-2，作功间隔角为720°/4=180°曲轴转角，由于凸轮轴转速为曲轴转速的1/2所以，表现在凸轮轴上同名凸轮间的夹角则为180°/2=90°，如图4-20a所示。凸轮轴逆时针转动的六缸发动机，点火顺序为1-5-3-6-2-4，作功间隔角为720°/6 =120°曲轴转角，则同名凸轮的夹角为120°／2=60°，同名凸轮的排列顺序如图4-20b所示。

同一气缸的进、排气（异名）凸轮间的相对角位置排列取决于凸轮轴的转动方向和发动机的进、排气规律。

凸轮轴轴颈用以安装和支承凸轮轴，轴颈数量取决于凸轮轴的支承方式。如图4-20a所示，上置式凸轮轴轴承为剖分式结构，各轴颈的直径均相等。中置式和下置式凸轮轴轴颈的直径较大，且由前往后依次减小，便于从缸体前端装入凸轮轴座孔内，如图4-20b所示。凸轮轴一般用优质钢模锻，或用合金铸铁或球墨铸铁铸造而成。为了提高其耐磨性，常对凸轮和轴颈工作面进行热处理。

（2）凸轮轴的轴向定位

为了防止凸轮轴的轴向窜动，凸轮轴必须有轴向定位装置。下置式凸轮轴利用止推凸缘定位。上置式凸轮轴利用凸轮轴轴承盖两侧面代替止推凸缘实现轴向定位，如图4-23所示。为了保证发动机的配气正时和点火正时，在装配曲轴和凸轮轴时，要将正时齿轮副上的标记、链轮与链条间标记、齿形带轮与齿形带上的标记对齐，如图4-5和图4-7所示。

图4-23　凸轮轴轴向定位

2.挺柱

挺柱的作用是将凸轮工作时产生的推力传给推杆（凸轮轴中置、下置式）或气门（凸轮轴上置式），并承受凸轮旋转时所施加的厕向力。挺柱分为普通挺柱和液力挺柱两种。

（1）普通挺柱

常见的形式有菌形、筒形和滚轮式三种，如图4-24所示。菌形挺柱多为中空式，以减轻质量，其上部装有调节螺钉，用来调节气门间隙；筒形挺柱的下部钻有通孔，便于筒内收集的润滑油流出以对挺柱底面和凸轮加强润滑，底面为凹球形，与推杆下方的凸球形配合；滚轮式挺柱由于滚轮的转动，使滚轮与凸轮间的摩擦阻力小，多用于柴油机中。

图4-24　普通挺柱结构

挺柱工作时，由于受凸轮侧向力的作用，会使挺柱的侧面和底面磨损不均匀。为此在结构上采取了使挺柱旋转的措施。常见的结构措施有下列两种：一是将挺柱中心线与凸轮宽度中心线微量偏移一距离，如图4-25a所示，发动机工作时，凸轮与挺柱底面的摩擦力可产生一附加转矩，使挺柱绕自身轴线转动。另一种是将挺柱底面制成半径较大的球面，而将凸轮工作面制成锥角很小的锥面，如图4-25b所示，这样使挺柱和凸轮的接触点偏离挺柱的中心线一距离，当挺柱被顶起时，接触点间的摩擦力使挺柱承受一个附加的旋转力矩，使挺柱一边作往复直线运动，一边绕自身轴线作转动，从而使挺柱磨损均匀。

图4-25　挺柱旋转结构措施

（2）液力挺柱

具有气门间隙的配气机构，虽然解决了气门传动组件受热膨胀对气门正常工作的影响，但是有了气门间隙，会使配气机构在工作过程中出现撞击而产生噪声。为了解决这一矛盾，多数高转速发动机上采用了液力挺柱。如桑塔纳JV型和奥迪JW型发动机均采用液力挺柱。桑塔纳液力挺柱结构如图4-26所示。

图4-26　桑塔纳和奥迪发动机液力挺柱

挺柱体的外圆柱面上加工有环形油槽，顶部内侧加工有键形油槽。油缸的内孔和外圆经精加工后研磨，外圆与挺柱体内导向孔配合，内孔则与柱塞配合，两者都有相对运动。油缸的底部装有一柱塞回位弹簧，把球阀压靠在柱塞的阀座上，柱塞回位弹簧还可以使挺柱的顶面和凸轮保持紧密接触，以消除气门间隙。柱塞、油缸、单向球阀和球阀弹簧装配到一起，便构成气门间隙的补偿偶件。球阀将油缸下部和柱塞上部分隔为两个油腔。当球阀关闭时，上部为低压油腔，下部为高压油腔；当球阀开启时，则成为一个通腔。

液力挺柱装在气缸盖的挺柱孔内，挺柱顶面与凸轮接触，油缸底面则与气门杆端面接触。挺柱在往复运动过程中，当挺柱体外圆的环形油槽与缸盖上的斜油孔对齐时，发动机的润滑油经缸盖上的油道、挺柱上的环形油槽流入低压油腔，然后经键形槽进入柱塞上方的低压油腔，这时缸盖主油道与液力挺柱的低压油腔相通。

液力挺柱工作过程：当气门开启时，凸轮推动挺柱体和柱塞向下移动，高压油腔内有润滑油被压缩，油压升高，加之补偿弹簧的作用，使球阀紧压在柱塞下端的阀座上，这时高压油腔与低压油腔分开，由于液体的不可压缩性，油缸和柱塞成为一刚体，下移并推开气门。此时挺柱外圆的环形油槽已离开了气缸上的进油位置，从而停止供油。

当气门关闭时，挺柱体不再受凸轮的推压作用，高压油腔内的压力油和柱塞回位弹簧一起推动柱塞向上运动，使高压油腔内的油压下降，球阀离开阀座而打开，从低压油腔来的压力油进入高压油腔，使两腔相通并充满油液，保证液力挺柱的顶面仍然和凸轮的基圆接触，从而达到补偿气门间隙的作用。

采用液力挺柱的优点

① 消除了配气机构中各零件间的间隙，减小了相互间的冲击和噪音。

② 不用调整气门间隙，简化了配气机构的装配、使用和维修。

③ 不用预留气门间隙，可有效地延长气门的实际开启时间，改善了换气过程。

3.推杆

凸轮轴下置（或中置）式配气机构中，推杆位于挺柱和摇臂之间，其作用是将挺柱传来的推力传给摇臂。

推杆为一细长杆件，如图4-27所示，是配气机构中最易弯曲的附件。为了减轻其质量并保证有足够的刚度，推杆多采用中空的圆柱形钢管制成，如图4-27a、b所示，杆的两端焊接或压配有不同形状的端头，上端为凹球形，与摇臂上的气门间隙调整螺钉的球头接触；下端为球头形，落座于挺柱的凹球形座中。另外，有些发动机的推杆采用钢制实心推杆，其上下端与杆身制成一体，如图4-27c所示。推杆的上下端头均经热处理后并光磨，以提高其耐磨性。

图4-27　推杆结构

图4-28　摇臂结构

4.摇臂

摇臂的作用是将推杆或凸轮传来的力改变方向后传给气门，以克服弹簧的弹力，使气门开启。

摇臂的结构如图4-28所示。它是一个中间以轴孔为支承，两臂不等长的双臂杠杆：其中长臂端用来推动气门开启，与气门接触的工作面做成圆弧形，保证摇臂摆动时可沿气门端面滑动；短臂端通过气门间隙调整螺钉与推杆接触。由于靠气门一端的臂长，因此在一定的气门升程下，可减小推杆、挺柱等运动件的运动距离和加速度，从而减小了工作中的惯性力。

摇臂一般用中碳钢或优质铸铁制成。为了提高耐磨性，长臂端的圆弧工作面经淬火后磨光。摇臂两端大多采用T字形或工字形断面结构，以便在较小的质量下获得较好的刚度。

摇臂组件 摇臂组主要由摇臂、摇臂轴、摇臂轴支座、定位弹簧、气门间隙调整螺钉等零件组成，如图4-29所示。摇臂轴孔内镶有青铜衬套，并以一定的间隙套在中空的摇臂轴上，摇臂轴通过摇臂轴支座固定在气缸盖上。为防止摇臂轴向窜动，每两个摇臂之间装有定位弹簧。缸盖油道中的润滑油，经支座上的油道进入中空的摇臂轴内，润滑摇臂与摇臂轴，并从摇臂上的油孔飞溅出去，润滑配气机构的其他零件。

图4-29　摇臂组件