项目四 配气机构的结构

项目四配气机构结构认识与维修主讲 刘楚玉 主要内容 一 概述 二 气门组 三 气门传动组 四 配气相位 五 可变进气系统 六 配气机构检修 内容提要 目前 四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构 其功用是按照发动机的工作顺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 进入气缸内的新气数量或称进气量对发动机性能的影响很大 进气量越多 发动机的有效功率和转矩越大 因此 配气机构首先要保证进气充分 进气量尽可能的多 同时 废气要排除干净 因为气缸内残留的废气越多 进气量将会越少 配气机构结构认识与维修 充气效率 在进气行程中 实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比 v M M0M 进气过程中 实际进入气缸的新气的质量 Mo 在理想状态下 充满气缸工作容积的新气质量 充气效率越高越好 而其大小与配气机构结构有直接的关系 1 作用 按照发动机各缸工作循环和点火次序的要求 将曲轴的旋转传递给凸轮轴 凸轮轴上的凸轮适时地控制相应的气门打开或关闭以完成进排气动作 使新鲜空气及燃烧后的废气及时 充分地进入及排出气缸 2 组成 配气机构大多采用顶置气门式配气机构 一般由气门组 气门传动组和气门驱动组组成 1 配气机构概述 1 配气机构概述 3 配气机构构成 1气门2气门座3气门导管4气门弹簧5摇臂摇臂轴6挺杆推杆6凸轮轴7凸轮轴正时链轮8正时链 皮带 传动组 气门组 驱动组 思考 为什么需要正时 在进气 压缩 做功 排气四个行程中 曲轴要转两周 而进气门或排气门只动作一次 因此 必须让凸轮轴的转速时曲轴转速的一半 才能上下合拍 也就是达到正时 因此 凸轮轴齿 带 轮直径是曲轴齿 带 轮直径的两倍 以使它的转速慢下一半 5 凸轮轴正时齿形带轮6 凸轮轴油封7 半轴键8 凸轮轴9 液力挺柱10 气门锁片11 上气门弹簧座12 气门弹簧13 气门油封14 气门导管15 进气门座圈16 排气门座圈17 排气门18 进气门 1 配气机构概述 4 配气机构的布置形式 按气门安装位置 a 顶置式 气门位于缸盖顶上 b 侧置式 进排气门都布置在气缸的一侧 按凸轮轴位置 a 下置凸轮轴 凸轮轴位于缸体中部 b 中置凸轮轴 凸轮轴位于缸体上部 c 上置凸轮轴 凸轮轴位于缸体顶部 1 配气机构概述 按气门安装位置 a 顶置式b 侧置式顶置式 位于缸盖顶上特点 A 拐弯少 阻力小 充气好 B 气门行程大 结构较复杂 燃烧室紧凑 C 曲轴与凸轮轴传动比为2 1 1 4配气机构布置形式 气缸盖罩 按气门安装位置 a 顶置式b 侧置式顶置式 位于缸盖顶上特点 A 拐弯少 阻力小 充气好 B 气门行程大 结构较复杂 燃烧室紧凑 C 曲轴与凸轮轴传动比为2 1 已装好的凸轮轴 气缸盖 1 4配气机构布置形式 侧置式 进排气门都布置在气缸的一侧 结构简单 零件数目少 特点 A 结构简单 零件数目少 B 气门布置在同一侧导致燃烧室结构不紧凑 热量损失大 进气道曲折 进气阻力大 使发动机性能下降 已趋于淘汰 1 4配气机构布置形式 气缸盖罩 1 4配气机构布置形式 按凸轮轴位置 a 下置凸轮轴b 中置凸轮轴c 上置凸轮轴下置凸轮轴式 特点 凸轮轴传动简单 气门传动链较长 缺点 凸轮轴与气门相距较远 动力传递路线较长 环节多 因此不适用于高速发动机 优点 简化曲轴与凸轮轴之间传动装置 有利于发动机的布置 气缸盖罩 1 4配气机构布置形式 按凸轮轴位置 a 下置凸轮轴b 中置凸轮轴c 上置凸轮轴中置凸轮轴式 传动方式 凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂 省去了推杆 应用 适用于发动机转速较高时 可以减少气门传动机构的往复运动质量 气缸盖罩 1 4配气机构布置形式 按凸轮轴位置 a 下置凸轮轴b 中置凸轮轴c 上置凸轮轴上置凸轮轴式 特点 凸轮轴与气门距离近 不需要推杆 挺柱 使往复运动的惯量减少 双凸轮轴上置式发动机 应用 高速发动机 桑塔纳轿车发动机 1 4配气机构布置形式 上置凸轮轴实物图 视频 上置式凸轮轴 1 4配气机构布置形式 按气门驱动形式 摇臂驱动 摆臂驱动和直接驱动三种类型1 摇臂驱动 单凸轮轴上置式配气机构凸轮轴推动液力挺柱 液力挺柱推动摇臂 摇臂再驱动气门 或凸轮轴直接驱动摇臂 摇臂驱动气门 1 4配气机构布置形式 2 摆臂驱动 凸轮轴上置式配气机构由于摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动式刚度更好 更有利于高速发动机 因此在轿车发动机上的应用比较广泛 如CA488 3 SH680Q 克莱斯勒A452 奔驰QM615 奔驰M115等发动机均为单上置凸轮轴 SOHC 摆臂驱动式配气机构 而本田B20A 尼桑VH45DE 三菱3G81 富士EJ20等发动机都是双上置凸轮轴 DOHC 摆臂驱动式配气机构 1 4配气机构布置形式 3 直接驱动 凸轮轴上置式配气机构在这种形式的配气机构中 凸轮通过吊杯形机械挺柱驱动气门 或通过吊杯形液力挺柱驱动气门 与上述各种形式的配气机构相比 直接驱动式配气机构的刚度最大 驱动气门的能量损失最小 因此 在高度强化的轿车发动机上得到广泛的应用 如奥迪 捷达 桑塔纳 马自达6 欧宝V6 奔弛320E 还有依维柯8140 01 8140 21等均为直接驱动式配气机构 2 气门组 视频 气门1 1 气门的工作条件A 进气门温度高 气门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 B 头部承受气体压力 气门弹簧力等 气门承受气体力和气门弹簧力的作用 以及由于配气机构运动件的惯性使气门落座时受到冲击C 冷却和润滑条件差 D 被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀 2 气门组 2 气门组 2 气门材料 进气门一般用中碳合金钢制造 如铬钢 铬钼钢和镍铬钢等 排气门则采用耐热合金钢制造 如硅铬钢 硅铬钼钢 硅铬锰钢等 3 气门构造汽车发动机的进 排气门均为菌形气门 由气门头部和气门杆两部分构成 气门顶面有平顶 凹顶和凸顶等形状 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 排气门都可采用 视频 气门的构造 气门头部的结构形式 2 气门组 2 气门组 3 气门构造气门锥角 气门锥面与顶平面的夹角称气门锥角 气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封 进 排气门的气门锥角一般均为45 只有少数发动机的进气门锥角为30 2 气门组 气门锥角的作用 A能获得较大的气门座合压力 以提高密封性和导热性 B气门落座时有自动定位作用 C避免气流拐弯过大而降低流速 D气门落座时能挤掉接触面的沉积物 即有自洁作用 进 排气门锥角的大小A进气门锥角较小 多用30 因锥角越小 进气通道截面越大 进气量越多 B排气门锥角较大 通常为45 因锥角越大 气门头部边缘的厚度大 不易变形 排气门热负荷较大而用较大的锥角 以加强散热和避免受热变形 且锥角越大 座合压力越大 自洁作用越大 气门杆气门杆有较高的加工精度和较低的粗糙度 与气门导管保持较小的配合间隙 以减小磨损 并起到良好的导向和散热作用 在某些高度强化的发动机上采用中空气门杆的气门 旨在减轻气门质量和减小气门运动的惯性力 2 气门组 气门杆 圆柱形 不断做往复运动 较高的加工精度 表面经过热处理和磨光 保证同气门导管的配合精度和耐磨性 气门杆尾部 其形状决定于弹簧座固定方式 凹槽 易断裂处 2 气门组 每缸气门数一般发动机每个气缸有两个气门 即一个进气门和一个排气门 进气门头部直径比排气门大15 30 目的是增大进气门通过断面面积 减小进气阻力 增加进气量 凡是进气门和排气门数量相同时 进气门头部直径总比排气门大 思考 气门数为何不能太多 多气门发动机具有高转速 高效率的优点 由于气门较多 高转速时进 排气效果较好 且火花塞放在中央可以提高压缩包比 因此发动机性能较好 但多气门设计较复杂 气门驱动方式 燃烧室构造及火花塞位置都要精密安排 而且制造成本高 工艺要求先进 维修困难 带来效果也不是很明显 因此 现在基本放弃每缸5气门设计 而采用更流行的每缸4气门 2 气门组 四气门发动机每缸两个进气门 两个排气门 其突出的优点是气门通过断面积大 进 排气充分 进气量增加 发动机的转矩和功率提高 其次是每缸四个气门 每个气门的头部直径较小 每个气门的质量减轻 运动惯性力减小 有利于提高发动机转速 最后 四气门发动机多采用篷形燃烧室 火花塞布置在燃烧室中央 有利于燃烧 视频 进排气门 气门座与气门座圈气缸盖上与气门锥面相贴合的部位称气门座 气门座的温度很高 又承受频率极高的冲击载荷 容易磨损 因此 铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈 在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命 也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈 直接在气缸盖上加工出气门座 2 气门组 气门坐圈 气门座与气门座圈优点 提高气门座的使用寿命 便于更换 缺点 导热性差 加工精度高 脱落时易造成严重事故 2 气门组 视频 气门座圈 2 气门组 气门导管气门导管的功用是对气门的运动导向 保证气门作直线往复运动 使气门与气门座或气门座圈能正确贴合 此外 还将气门杆接受的热量部分地传给气缸盖 气门导管的工作温度较高 而且润滑条件较差 靠配气机构工作时飞溅起来的机油来润滑气门杆和气门导管孔 气门导管由灰铸铁 球墨铸铁或铁基粉末冶金制造 在以一定的过盈将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后 再精铰气门导管孔 以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙0 05 0 12mm 视频 气门导管 2 气门组 气门弹簧气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合 并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力 使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离 等螺距 不等螺距 圆柱形螺旋弹簧 2 气门组 气门弹簧 气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧 当气门弹簧的工作频率与其固有的振动频率相等或为整数倍时 气门弹簧就会发生共振 共振时将使配气定时遭到破坏 使气门发生反跳和冲击 甚至使弹簧折断 2 气门组 1 采用双气门弹簧当一个弹簧发生共振时 另一个弹簧能起到阻尼减振作用 当一个弹簧折断时 另一个弹簧仍可维持气门工作 弹簧旋向相反 可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内使其不能工作或损坏 2 采用变螺距气门弹簧变螺距弹簧的固有频率不是定值 从而可以避开共振 视频 气门油封与气门弹簧 气门旋转机构 安装在气门尾部 在气门工作时发生一定的转动 以使气门受热 磨损均匀 同时可以挤出气门密封锥面的积碳等物质 有自由 强制旋转两种 第三节气门传动组 一 凸轮轴1 凸轮轴工作条件及材料凸轮轴承受周期性的冲击载荷 凸轮与挺柱之间的接触应力很大 相对滑动速度也很高 因此 凸轮工作表面的磨损比较严重 2 凸轮轴构造凸轮轴是通过凸轮轴轴颈支承在凸轮轴轴承孔内的 因此凸轮轴轴颈数目的多少是影响凸轮轴支承刚度的重要因素 如果凸轮轴刚度不足 工作时将发生弯曲变形 这会影响配气定时 下置式凸轮轴每隔1 2个气缸设置一个凸轮轴轴颈 第三节气门传动组 3 凸轮轮廓基本圆 缓冲段 消除气门间隙 工作段 缓冲段 恢复气门间隙 凸轮顶高 凸轮顶点到基圆垂直距离 进 排气门开启和关闭的时刻 持续时间以及开闭的速度等分别由凸轮轴上的进 排气凸轮控制 O点为凸轮轴回转中心 凸轮轮廓上的AB段和DE段为缓冲段 BCD段为工作段 挺柱在A点开始升起 在E点停止运动 凸轮转到AB段内某一点处 气门间隙消 气门开始开启 此后随着凸轮继续转动 气门逐渐开大 至C点气门开度达到最大 再后气门逐渐关闭 在DE段内某一点处气门完全关闭 接着气门间隙恢复 气门最迟在B点开始开启 最早在D点完全关闭 由于气门开始开启和关闭落座时均在凸轮升程变化缓慢的缓冲段内 其运动速度较小 从而可以防止强烈的冲击 凸轮轮廓与气门的运动规律 气门开启点 消除气门间隙阶段 气门升程最大时刻 气门关闭点 出现气门间隙阶段 第三节气门传动组 凸轮轴上各同名凸轮 各进气凸轮或各排气凸轮 的相对角位置与凸轮轴旋转方向 发动机工作顺序及气缸数或作功间隔角有关 工作顺序为1 3 4 2的四缸发动机其作功间隔角为720 4 180 曲轴转角 相当于90 凸轮轴转角 即各同名凸轮间的夹角为90 对于工作顺序为1 5 3 6 2 4的六缸发动机 凸轮间的夹角为60 视频1 凸轮轴与气门开启 视频2 凸轮轴与驱动 第三节气门传动组 4 凸轮轴轴承中置式和下置式凸轮轴的轴承一般制成衬套压入整体式轴承座孔内 再加工轴承内孔 使其与凸轮轴轴颈相配合 上置式凸轮轴的轴承多由上 下两片轴瓦对合而成 装入剖分式轴承座孔内 轴承材料多与主轴承相同 在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层 也有的凸轮轴轴承采用粉末冶金衬套或青铜衬套 5 凸轮轴的传动方式 齿轮传动链条传动齿带传动 第三节气门传动组 5 凸轮轴的传动方式 齿轮传动链条传动齿带传动 齿轮传动 CA6102Q EQ6100Q BJ492Q 齿轮传动机构用于下置式和中置式凸轮轴的传动 汽油机一般只用一对定时齿轮 即曲轴定时齿轮和凸轮轴定时齿轮 柴油机需要同时驱动喷油泵 所以增加一个中间齿轮 为了保证齿轮啮合平顺 噪声低 磨损小 定时齿轮都是圆柱螺旋齿轮并用不同的材料制造 传动路线 曲轴正时齿轮 凸轮轴正时齿轮 第三节气门传动组 链传动机构用于中置式和上置式凸轮轴的传动 尤其是上置式凸轮轴的高速汽油机采用链传动机构的很多 链条传动 切诺机 链条传动式 琪达发动机 齿带传动 桑塔纳奥迪齿形带传动机构用于上置式凸轮轴的传动 第三节气门传动组 6 凸轮轴的轴向定位上置式凸轮轴通常利用凸轮轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈两侧的凸肩进行轴向定位 中 下置式凸轮轴的轴向定位通常采用止推板 止推板用螺栓固定在机体前端面上 第三种轴向定位的方法是止推螺钉定位 二 挺柱1 挺柱的功用 材料及分类挺柱是凸轮的从动件 其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门 同时还承受凸轮所施加的侧向力 并将其传给机体或气缸盖 制造挺柱的材料有碳钢 合金钢 镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁等 挺柱可分为机械挺柱和液力挺柱两大类 第三节气门传动组 液力挺柱 消除了配气机构的间隙 减小了各零件的冲击载荷和噪声提高发动机高速时的性能 挺柱体 柱塞 球形支座 卡环 柱塞弹簧 单向阀 单向阀架 柱塞腔A 挺柱体腔B 进油口 进油通道 桑塔纳发动机液压挺柱工作示意图 单向阀 弹簧被压缩 第三节气门传动组 三 推杆推杆处于挺柱和摇臂之间 其功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂 第三节气门传动组 四 摇臂摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力 改变方向传给气门使其开启 摇臂在摆动过程中承受很大的弯矩 因此应有足够的强度和刚度以及较小的质量 摇臂由锻钢 可锻铸球 球墨铸铁或铝合金制造 摇臂结构示意图 气门间隙调节螺钉 调节螺母 摇臂 摇臂轴套 易磨损部位堆焊耐磨合金 摇臂结构示意图 润滑油道 油槽 润滑油道 装调整螺钉和紧固螺母处 摇臂组示意图 摇臂轴 螺栓 摇臂轴支座 摇臂轴紧固螺钉 摇臂称套 调整螺钉 摇臂 定位弹簧 第三节气门传动组 摇臂组实物图 第三节气门传动组 摇臂组 第三节气门传动组 第四节配气相位 1 配气相位定义 以活塞上下止点为基准 用曲轴转角来表示气门开启和关闭的时刻 不同发动机 由于结构形式 转速各不相同 因此配气相位也不相同 第四节配气相位 理论上 四冲程发动机的进气门当曲拐处在上止点时开启 在曲拐转到下止点时关闭 排气门则当曲拐在下止点时开启 在上止点时关闭 进气时间和排气时间各占180 曲轴转角 第四节配气相位 实际上 发动机的曲轴转速都很高 活塞每一个行程历时都很短 这样短时间的进气或排气过程 往往会使发动机充气不足或排气不净 从而使发动机的功率下降 第四节配气相位 早开迟闭 现代发动机都采用延长进 排气时间的方法 即分别提前和延迟一定的曲轴转角 以改善进 排气状况 从而提高发动机的动力性 进气门在进气行程上止点之前开启谓之早开 从进气门开到上止点曲轴所转过的角度称作进气提前角 记作 进气门在进气行程下止点之后关闭谓之晚关 从进气行程下止点到进气门关闭曲轴转过的角度称作进气迟后角 记作 第四节配气相位 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 谓之排气门早开 从排气门开启到下止点曲轴转过的角度称作排气提前角 记作 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 谓之排气门晚关 从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度称作排气迟后角 记作 第四节配气相位 上止点 下止点 第四节配气相位 气门重叠角 由于进气门早开和排气门晚关 致使活塞在上止点附近出现进 排气门同时开启的现象 称其为气门重叠 重叠期间的曲轴转角称为气门重叠角 它等于进气提前角与排气迟后角之和 即 第四节配气相位 第四节配气相位 第四节配气相位 2 气门间隙在装配发动机时 在气门与其传动件之间需预留适当的间隙 即气门间隙 气门间隙过大 进排气门开启时间缩短 造成进气不充分 发动机充量系数下降 功率下降 排气不干净 发动机热负荷增加 缸盖受热变形增大 配气机构传动件之间以及气门与气门座之间产生较大撞击及响声 加速它们之间的磨损 气门间隙过小 气门受热膨胀后造成气门关闭不严 产生漏气 使发动机的动力性下降 热负荷增加 气门被烧坏等 一般冷态时 排气门间隙大于进气门间隙 进气门间隙约为0 25 0 3mm 排气门间隙约为0 3 0 35mm 第四节配气相位 3 可变配气相位控制机构对配气相位的要求要求 随转速提高 气门提前开启角和迟后关闭角应增大 反之则应减小 目的 减小进 排气阻力 充分利用气流惯性 4 本田公司可变配气相位控制机构配气机构特点 每缸两进两排4气门 进 排气门分排两列 单顶置凸轮轴 双摇臂轴 皮带传动 机构名称 VariableValveLifeTiming ValveElectronicControl 简称VTEC 可变配气正时及气门升程电子控制机构 VTEC机构功用 根据发动机转速和负荷变化 通过摇臂总成改变进气门配气相位和升程 VTEC机构组成 VTEC机构组成 1 主凸轮2 次凸轮3 次摇臂4 阻挡活塞5 同步活塞A6 正时活塞7 主摇臂8 同步活塞B 配气相位取决于凸轮 主凸轮按低速小负荷单进气门工作设计 中间凸轮按高速大负荷双进气门工作设计 低速小负荷不工作 3摇臂分开 主凸轮通过主摇臂驱动主进气门 满足