《汽车构造》电子教案：第3章 配气机构

1、汽车构造电子教案第三章 配气机构2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第2页第三章第三章 配气机构配气机构 概述概述 气门式配气机构的布置及传动气门式配气机构的布置及传动 配气相位配气相位 配气机构的零件和组件配气机构的零件和组件 配气机构的功用是按照发动机每一气缸所进行的工作循环和发配气机构的功用是按照发动机每一气缸所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从（汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。新鲜空气或可燃混合气

2、被吸进气缸越多，则发动机可能气缸排出。新鲜空气或可燃混合气被吸进气缸越多，则发动机可能发出的功率越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用发出的功率越大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充量充量系数系数来表示。来表示。 2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第3页充量系数 所谓充量系数就是在进气过程中，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，即 式中， 为进气过程中，实际充入气缸的新气的质量； 为进气状态下充满气缸工作容积的新气质量。 充量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气越多，可燃混合气燃烧时所放出的热量

3、越大，所以发动机发出的功率越大。充量系数总是小于1，一般为0.800.90。影响发动机充量系数的因素很多，故提高充量系数可以从多方面入手。就配气机构而言，主要是要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启时间比较适当，使吸气和排气都尽可能充分。ocMMMoM2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第4页第一节 气门式配气结构的布置及传动 气门式配气机构由气门组和气门传动组零件组成。配气机构可以从不同角度分类：按气门的布置形式按气门的布置形式，主要有气门顶置式和气门侧置式；按凸轮轴的布置位置按凸轮轴的布置位置，可分为凸轮轴下置式，凸轮轴中置式和凸轮轴上置式；按曲轴和凸

4、轮轴的传动方式按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链传动式和带传动式。按每气缸气门数目按每气缸气门数目，有二气门式、四气门和五气门等多气门式。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第5页气门的布置形式1.1.气门顶置式配气机构气门顶置式配气机构 进气门和排气门都倒挂在气缸上。现代汽车发动机均采用气门顶置式配气机构。2.2.气门侧置式配气机构气门侧置式配气机构 气门侧置式配气机构的进气门和排气门都装置在气缸体的一侧，目前已被淘汰。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第6页 在图示的气门顶置式配气机构中，气门组包括气门3，气门导管2、气门主、副弹簧4和5、气门弹簧座6、锁片7等；气门

5、传动组则由摇臂轴9、摇臂10、推杆13、挺柱14、凸轮轴15和定时齿轮组成。工作过程气门顶置式配气机构2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第7页凸凸轮轮轴轴下下置置和和中中置置的的配配气气机机构构2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第8页凸轮轴上置式配气机构凸轮轴上置式配气机构2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第9页上置双凸轮轴布置 上置双凸轮轴布置适用于多气门式发动机，特点是使用两个凸轮轴分别驱动进气门和排气门。双凸轮轴结构有利于布置更多的气门，气门数多，能提高发动机的进、排气效率，可以进一步提高压缩比，提高发动机的转速。这种双凸轮轴多气门的配气机构，是高速现代汽车发动机配气机

6、构的主要形式。图示为上置双凸轮轴直接驱动5气门的配气机构。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第10页上置双凸轮轴布置2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第11页凸轮轴的传动方式齿轮传动齿轮传动链传动链传动带传动带传动2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第12页齿轮传动 凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形定时齿轮传动。一般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时可加装中间齿轮。为了啮合平稳、减小噪声，定时齿轮多用斜齿轮。在中、小功率发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮轴定时齿轮则用铸铁或夹布胶木制造，以减小噪声。 链传动 链条与链轮的传动特别适用于凸轮轴上置的配气机

7、构。为使链条在工作是具有一定的张力而不致脱链，装有导链板14，上、下链条张紧轮2、11等。为了使链条调整方便，有的发动机使用一根链条传动。链传动的主要问题是其工作可靠性不如齿轮传动。其传动性能在很大程度上取决于链条的制造质量。 2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第13页2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第14页带传动 近年来，在高速汽车发动机上还广泛的采用传动带来代替传动链，图3-7所示为一汽-大众奥迪100型轿车用的齿形带传动。这种齿形带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以增加强度。采用齿形带传动，对于减少噪声、减少结构质量和降低成本都有很大好处。2021-11-5哈尔

8、滨工业大学（威海）第15页每缸气门数及其排列方式一般发动机都采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门的结构。在很多新型汽车发动机上多采用每缸4气门、甚至5气门的结构，即23个进气门和2个排气门。采用多气门发动机的好处是什么呢？答：为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能保证良好的换气质量。采用多气门的结构形式后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门的直径可适当减小，使其工作温度适当降低，提高了工作可靠性。此外，采用

9、多气门后还可适当减小气门升程，改善配气机构的的动力性，多气门的汽油机还有利于改善HC和CO的排放性能。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第16页每缸两个气门时的排列方式 当每气缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名各气门就有可能合用一个气道，以使气道简化并得到较大的气道通过截面；另一种是将进、排气门交替布置，每缸单独用一个气道，这样有助于气缸盖冷却均匀。柴油机的进、排气道一般分置于机体的两侧，以免排气对进气加热。老式汽油机的进、排气道通常置于机体的同一侧，以便进气受到排气的预热。每缸四个气门时的排列方式当每缸采用四个气门时，气门排列

10、的方案有两种：同名气门排成两列，由一个为凸轮通过T形驱动杆同时驱动，并且所有气门都可以由一根凸轮轴驱动。两同名气门在气道中的位置不同，可能会使二者的工作条件和工作效果不一致。同名气门在同一列，则没有上述缺点，但一般用两根凸轮轴。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第17页2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第18页气门间隙 发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷却时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩行程和作功行程中的漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易起动。为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在

11、气门与其传动机构中留有一定的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一间隙称为气门间隙。 有的发动机采用液力挺柱，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。一汽488Q发动机上设有气门间隙调节器，在安装时要保证摇臂凸耳与气门弹簧座之间的间隙大于1.25mm.气门间隙的大小一般有发动机制造厂根据试验确定。一般在冷态时，进气门的间隙为0.25-0.3mm，排气门的间隙为0.3-0.35mm。如果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降甚至气门烧坏。如果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击响声，而且加速磨损，同时也会使得气门开启的持续时间减少，气缸

12、的充气及排气情况变坏。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第19页配气相位 配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对与上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示。这种图形称为配气相位图。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第20页（续） 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。但实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一个行程都很短，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，从而使发动机的的功率下降。因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即

13、气门的开启和因此，现代发动机都采用延长进、排气时间的方法，即气门的开启和关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提前关闭时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是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。力性。更进一步更进一步2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第21页 气门重叠气门重叠 由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气气门重叠门重叠，重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角气门重叠角。 由于新鲜气流

14、和废气流的流动惯性都比较大，在短时间内是不会改变流向的，因此只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气管和新鲜气体随同废气排除的可能性。这对换气是有利的，但应注意，如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转、进气管内压力很低时，就可能出现废气倒流，使进气量减少。重要重要2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第22页配气机构的零件和组件气门组气门组1.气门2.气门导管3.气门座4.气门弹簧气门传动组气门传动组1.凸轮轴2.挺柱3.推杆4.摇臂2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第23页气门组气门组 气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。有的进气门还设有气门旋转机构。 气门组应保证

15、气门能够实现气缸的密封，因此要求： 气门头部与气门座贴合严密； 气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向； 气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜； 气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能及时关闭，并保证气门紧压在气门座上。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第24页气门头部杆部 头部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用合金钢（如铬钢或镍铬钢等），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。为了节省耐热合金钢，有的发动

16、机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第25页气门头部的结构形式2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第26页气门组2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第27页气门座 气门座可在气缸盖上直接镗出。它与气门头部共同对气缸起密封作用，并接受气门传来的热量。气门座在高温下工作，磨损严重，故有不少发动机的气门座用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作，然后镶嵌到气缸盖上。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第28页气门弹簧v 气门弹簧的功用是克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力，防止各传动件之间因惯性力的作用而产

17、生间隙，保证气门及时落座并紧紧贴合，防止气门发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧应有足够的刚度和安装预紧力。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第29页气门旋转机构v 气门旋转机构的实例见图3-15。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第30页 有的发动机采用3-15b所示的强制旋转机构，使气门每开一次便转过一定角度。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第31页气门传动组气门传动组包括凸轮轴、定时齿轮、挺柱，推杆、摇臂、摇臂轴等。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。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第32页凸轮轴 凸轮轴（图3-16

18、）上主要配置由各缸进、排气凸轮1，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。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐磨，对凸轮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3-23a所示的发动机的凸轮轴有五个轴颈2。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1，如图3-24所示。为安装方便，凸轮轴的各轴颈直径是做成从前向后依次减小的。 凸轮轴的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。凸轮各轴颈的工作表面一般进热处理后精磨，

19、以改善其耐磨性。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第33页判定发动机的发火次序2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第34页凸轮轴的驱动汽油机的凸轮轴布置在曲轴箱上方时，凸轮轴上还具有用以驱动机油泵及分电器的齿轮和驱动汽油泵的偏心轮。凸轮轴通常有曲轴通过一对定时齿轮驱动，小齿轮和大齿轮分别用键装在曲轴与凸轮轴的前端，其传动比为2:1。在装配曲轴与凸轮轴时，必须将定时齿轮记号对准，以保证正确的配气相位和发火时刻。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第35页凸轮轴的驱动2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第36页凸轮轴2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第37页挺柱 挺柱的功用

20、是将凸轮的推力传给推杆（或气门杆），并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。挺柱在其顶部装有调节螺钉，用来调节气门间隙。气门顶置式配气机构的挺柱一般制成筒式（图3-27b），以减轻重量。图3-27c所示为滚轮式挺柱，其优点是可以减小摩擦所造成的对挺柱的侧向力。这种挺柱结构复杂，重量较大，一般多用于大缸径柴油机上。挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造，其摩擦表面应经热处理后研磨。 热膨胀造成的气门关闭不严的问题用预留气门间隙的方法来解决；但由于气门间隙的存在，配气机构在工作时将产生冲击而发出响声。为了解决这一矛盾，有的发动机上采用了液压挺柱。2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第38页2021-11-5哈尔滨工业大学（威海）第39页液压挺柱2021-