汽車構(gòu) 第03章配氣機構(gòu)

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1、汽車構(gòu)造電子教案第三章 配氣機構(gòu)2021-12-28第2頁第三章第三章 配氣機構(gòu)配氣機構(gòu) 概述概述 氣門式配氣機構(gòu)的布置及傳動氣門式配氣機構(gòu)的布置及傳動 配氣相位配氣相位 配氣機構(gòu)的零件和組件配氣機構(gòu)的零件和組件 配氣機構(gòu)的功用是按照發(fā)動機每一氣缸所進行的工作循環(huán)和發(fā)配氣機構(gòu)的功用是按照發(fā)動機每一氣缸所進行的工作循環(huán)和發(fā)火次序的要求，定時開啟和關閉進、排氣門，使新鮮可燃混合氣火次序的要求，定時開啟和關閉進、排氣門，使新鮮可燃混合氣（汽油機）或空氣（柴油機）得以及時進入氣缸，廢氣得以及時從（汽油機）或空氣（柴油機）得以及時進入氣缸，廢氣得以及時從氣缸排出。新鮮空氣或可燃混合氣被吸進氣缸越多，則發(fā)

2、動機可能氣缸排出。新鮮空氣或可燃混合氣被吸進氣缸越多，則發(fā)動機可能發(fā)出的功率越大。新鮮空氣或可燃混合氣充滿氣缸的程度，用發(fā)出的功率越大。新鮮空氣或可燃混合氣充滿氣缸的程度，用充量充量系數(shù)系數(shù)來表示。來表示。 2021-12-28第3頁充量系數(shù) 所謂充量系數(shù)就是在進氣過程中，實際進入氣缸內(nèi)的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量與在進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量之比，即 式中， 為進氣過程中，實際充入氣缸的新氣的質(zhì)量； 為進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新氣質(zhì)量。 充量系數(shù)越高，表明進入氣缸內(nèi)的新鮮空氣或可燃混合氣越多，可燃混合氣燃燒時所放出的熱量越大，所以發(fā)動機發(fā)出的功率越大。充量系數(shù)

3、總是小于1，一般為0.800.90。影響發(fā)動機充量系數(shù)的因素很多，故提高充量系數(shù)可以從多方面入手。就配氣機構(gòu)而言，主要是要求其結(jié)構(gòu)有利于減小進氣和排氣的阻力，而且進、排氣門的開啟時刻和持續(xù)開啟時間比較適當，使吸氣和排氣都盡可能充分。ocMMMoM2021-12-28第4頁第一節(jié) 氣門式配氣結(jié)構(gòu)的布置及傳動 氣門式配氣機構(gòu)由氣門組和氣門傳動組零件組成。配氣機構(gòu)可以從不同角度分類：按氣門的布置形式按氣門的布置形式，主要有氣門頂置式和氣門側(cè)置式；按凸輪軸的布置位置按凸輪軸的布置位置，可分為凸輪軸下置式，凸輪軸中置式和凸輪軸上置式；按曲軸和凸輪軸的傳動方式按曲軸和凸輪軸的傳動方式，可分為齒輪傳動式、鏈

4、傳動式和帶傳動式。按每氣缸氣門數(shù)目按每氣缸氣門數(shù)目，有二氣門式、四氣門和五氣門等多氣門式。2021-12-28第5頁氣門的布置形式1.1.氣門頂置式配氣機構(gòu)氣門頂置式配氣機構(gòu) 進氣門和排氣門都倒掛在氣缸上?，F(xiàn)代汽車發(fā)動機均采用氣門頂置式配氣機構(gòu)。2.2.氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)氣門側(cè)置式配氣機構(gòu) 氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)的進氣門和排氣門都裝置在氣缸體的一側(cè)，目前已被淘汰。2021-12-28第6頁 在圖示的氣門頂置式配氣機構(gòu)中，氣門組包括氣門3，氣門導管2、氣門主、副彈簧4和5、氣門彈簧座6、鎖片7等；氣門傳動組則由搖臂軸9、搖臂10、推桿13、挺柱14、凸輪軸15和定時齒輪組成。工作過程氣門頂置式配氣機

5、構(gòu)2021-12-28第7頁凸凸輪輪軸軸下下置置和和中中置置的的配配氣氣機機構(gòu)構(gòu)2021-12-28第8頁凸輪軸上置式配氣機構(gòu)凸輪軸上置式配氣機構(gòu)2021-12-28第9頁上置雙凸輪軸布置 上置雙凸輪軸布置適用于多氣門式發(fā)動機，特點是使用兩個凸輪軸分別驅(qū)動進氣門和排氣門。雙凸輪軸結(jié)構(gòu)有利于布置更多的氣門，氣門數(shù)多，能提高發(fā)動機的進、排氣效率，可以進一步提高壓縮比，提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。這種雙凸輪軸多氣門的配氣機構(gòu)，是高速現(xiàn)代汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的主要形式。圖示為上置雙凸輪軸直接驅(qū)動5氣門的配氣機構(gòu)。2021-12-28第10頁上置雙凸輪軸布置2021-12-28第11頁凸輪軸的傳動方式齒輪傳動齒輪傳

6、動鏈傳動鏈傳動帶傳動帶傳動2021-12-28第12頁齒輪傳動 凸輪軸下置、中置的配氣機構(gòu)大多采用圓柱形定時齒輪傳動。一般曲軸與凸輪軸之間的傳動只需一對定時齒輪，必要時可加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)、減小噪聲，定時齒輪多用斜齒輪。在中、小功率發(fā)動機上，曲軸定時齒輪用鋼來制造，而凸輪軸定時齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制造，以減小噪聲。 鏈傳動 鏈條與鏈輪的傳動特別適用于凸輪軸上置的配氣機構(gòu)。為使鏈條在工作是具有一定的張力而不致脫鏈，裝有導鏈板14，上、下鏈條張緊輪2、11等。為了使鏈條調(diào)整方便，有的發(fā)動機使用一根鏈條傳動。鏈傳動的主要問題是其工作可靠性不如齒輪傳動。其傳動性能在很大程度上取決于鏈條的制造

7、質(zhì)量。 2021-12-28第13頁2021-12-28第14頁帶傳動 近年來，在高速汽車發(fā)動機上還廣泛的采用傳動帶來代替?zhèn)鲃渔?，圖3-7所示為一汽-大眾奧迪100型轎車用的齒形帶傳動。這種齒形帶用氯丁橡膠制成，中間夾有玻璃纖維和尼龍織物，以增加強度。采用齒形帶傳動，對于減少噪聲、減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本都有很大好處。2021-12-28第15頁每缸氣門數(shù)及其排列方式一般發(fā)動機都采用每缸兩個氣門，即一個進氣門和一個排氣門的結(jié)構(gòu)。在很多新型汽車發(fā)動機上多采用每缸4氣門、甚至5氣門的結(jié)構(gòu)，即23個進氣門和2個排氣門。采用多氣門發(fā)動機的好處是什么呢？答：為了進一步改善氣缸的換氣，在可能的情況下，應盡量

8、加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑。但是，由于燃燒室尺寸的限制，氣門直徑最大不能超過氣缸直徑的一半。當氣缸直徑較大，活塞平均速度較高時，每缸一進一排的氣門結(jié)構(gòu)就不能保證良好的換氣質(zhì)量。采用多氣門的結(jié)構(gòu)形式后，進氣門總的通過面積較大，充量系數(shù)較高，排氣門的直徑可適當減小，使其工作溫度適當降低，提高了工作可靠性。此外，采用多氣門后還可適當減小氣門升程，改善配氣機構(gòu)的的動力性，多氣門的汽油機還有利于改善HC和CO的排放性能。2021-12-28第16頁每缸兩個氣門時的排列方式 當每氣缸用兩個氣門時，為使結(jié)構(gòu)簡化，大多數(shù)采用氣門沿機體縱向軸線排成一列的方式。這樣，相鄰兩缸的同名各氣門就有可能合用一個氣

9、道，以使氣道簡化并得到較大的氣道通過截面；另一種是將進、排氣門交替布置，每缸單獨用一個氣道，這樣有助于氣缸蓋冷卻均勻。柴油機的進、排氣道一般分置于機體的兩側(cè)，以免排氣對進氣加熱。老式汽油機的進、排氣道通常置于機體的同一側(cè)，以便進氣受到排氣的預熱。每缸四個氣門時的排列方式當每缸采用四個氣門時，氣門排列的方案有兩種：同名氣門排成兩列，由一個為凸輪通過T形驅(qū)動桿同時驅(qū)動，并且所有氣門都可以由一根凸輪軸驅(qū)動。兩同名氣門在氣道中的位置不同，可能會使二者的工作條件和工作效果不一致。同名氣門在同一列，則沒有上述缺點，但一般用兩根凸輪軸。2021-12-28第17頁2021-12-28第18頁氣門間隙 發(fā)動機

10、工作時，氣門將因溫度的升高而膨脹。如果氣門及其傳動件之間在冷卻時無間隙或間隙過小，則在熱態(tài)下，氣門及其傳動件的受熱膨脹勢必引起氣門關閉不嚴，造成發(fā)動機在壓縮行程和作功行程中的漏氣，從而使功率下降，嚴重時甚至不易起動。為了消除這種現(xiàn)象，通常在發(fā)動機冷態(tài)裝配時，在氣門與其傳動機構(gòu)中留有一定的間隙，以補償氣門受熱后的膨脹量。這一間隙稱為氣門間隙。 有的發(fā)動機采用液力挺柱，挺柱的長度能自動變化，隨時補償氣門的熱膨脹量，故不需要預留氣門間隙。一汽488Q發(fā)動機上設有氣門間隙調(diào)節(jié)器，在安裝時要保證搖臂凸耳與氣門彈簧座之間的間隙大于1.25mm.氣門間隙的大小一般有發(fā)動機制造廠根據(jù)試驗確定。一般在冷態(tài)時，進

11、氣門的間隙為0.25-0.3mm，排氣門的間隙為0.3-0.35mm。如果間隙過小，發(fā)動機在熱態(tài)下可能發(fā)生漏氣，導致功率下降甚至氣門燒壞。如果氣門間隙過大，則使傳動零件之間以及氣門和氣門座之間產(chǎn)生撞擊響聲，而且加速磨損，同時也會使得氣門開啟的持續(xù)時間減少，氣缸的充氣及排氣情況變壞。2021-12-28第19頁配氣相位 配氣相位就是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對與上、下止點曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來表示。這種圖形稱為配氣相位圖。2021-12-28第20頁（續(xù)） 理論上四沖程發(fā)動機的進氣門當曲拐處在上止點時開啟，在曲拐轉(zhuǎn)到下止點時關閉；排氣門則當曲拐在下止點時開啟，在上止點時關閉。進氣時

12、間和排氣時間各占180曲軸轉(zhuǎn)角。但實際發(fā)動機的曲軸轉(zhuǎn)速都很高，活塞每一個行程都很短，這樣短時間的進氣或排氣過程，往往會使發(fā)動機充氣不足或排氣不凈，從而使發(fā)動機的的功率下降。因此，現(xiàn)代發(fā)動機都采用延長進、排氣時間的方法，即氣門的開啟和因此，現(xiàn)代發(fā)動機都采用延長進、排氣時間的方法，即氣門的開啟和關閉時刻并不正好是曲拐處在上止點和下止點的時刻，而是分別提前關閉時刻并不正好是曲拐處在上止點和下止點的時刻，而是分別提前和延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進、排氣狀況，從而提高發(fā)動機的動和延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進、排氣狀況，從而提高發(fā)動機的動力性。力性。更進一步更進一步2021-12-28第21頁 氣門重疊氣

13、門重疊 由于進氣門在上止點前即開啟，而排氣門在上止點后才關閉，這就出現(xiàn)了一段時間內(nèi)排氣門和進氣門同時開啟的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為氣氣門重疊門重疊，重疊時期的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣門重疊角氣門重疊角。 由于新鮮氣流和廢氣流的流動慣性都比較大，在短時間內(nèi)是不會改變流向的，因此只要氣門重疊角選擇適當，就不會有廢氣倒流入進氣管和新鮮氣體隨同廢氣排除的可能性。這對換氣是有利的，但應注意，如氣門重疊角過大，當汽油機小負荷運轉(zhuǎn)、進氣管內(nèi)壓力很低時，就可能出現(xiàn)廢氣倒流，使進氣量減少。重要重要2021-12-28第22頁配氣機構(gòu)的零件和組件氣門組氣門組1.氣門2.氣門導管3.氣門座4.氣門彈簧氣門傳動組氣門傳動組1.凸輪軸

14、2.挺柱3.推桿4.搖臂2021-12-28第23頁氣門組氣門組 氣門組包括氣門、氣門導管、氣門座及氣門彈簧等零件。有的進氣門還設有氣門旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。 氣門組應保證氣門能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸的密封，因此要求： 氣門頭部與氣門座貼合嚴密； 氣門導管對氣門桿的上下運動有良好的導向； 氣門彈簧的兩端面與氣門桿的中心線相垂直，以保證氣門頭在氣門座上不偏斜； 氣門彈簧的彈力足以克服氣門及其傳動件的運動慣性力，使氣門能及時關閉，并保證氣門緊壓在氣門座上。2021-12-28第24頁氣門頭部桿部 頭部的工作溫度很高，而且還要承受氣體壓力、氣門彈簧以及傳動組零件慣性力的作用，其冷卻和潤滑條件又較差。因此，要求氣門必須具有足

15、夠的強度、剛度、耐熱和耐磨能力。進氣門的材料采用合金鋼（如鉻鋼或鎳鉻鋼等），排氣門則采用耐熱合金鋼（硅鉻鋼等）。為了節(jié)省耐熱合金鋼，有的發(fā)動機排氣門頭部用耐熱合金鋼制造，而桿部則用鉻鋼制造，然后將兩者焊在一起。2021-12-28第25頁氣門頭部的結(jié)構(gòu)形式2021-12-28第26頁氣門組2021-12-28第27頁氣門座 氣門座可在氣缸蓋上直接鏜出。它與氣門頭部共同對氣缸起密封作用，并接受氣門傳來的熱量。氣門座在高溫下工作，磨損嚴重，故有不少發(fā)動機的氣門座用較好的材料（合金鑄鐵、奧氏體鋼等）單獨制作，然后鑲嵌到氣缸蓋上。2021-12-28第28頁氣門彈簧v 氣門彈簧的功用是克服在氣門關閉過

16、程中氣門及傳動件的慣性力，防止各傳動件之間因慣性力的作用而產(chǎn)生間隙，保證氣門及時落座并緊緊貼合，防止氣門發(fā)生跳動，破壞其密封性。為此，氣門彈簧應有足夠的剛度和安裝預緊力。2021-12-28第29頁氣門旋轉(zhuǎn)機構(gòu)v 氣門旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的實例見圖3-15。2021-12-28第30頁 有的發(fā)動機采用3-15b所示的強制旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使氣門每開一次便轉(zhuǎn)過一定角度。2021-12-28第31頁氣門傳動組氣門傳動組包括凸輪軸、定時齒輪、挺柱，推桿、搖臂、搖臂軸等。氣門傳動組的作用是使進、排氣門能按配氣相位規(guī)定的時刻開閉，且保證有足夠的開度。2021-12-28第32頁凸輪軸 凸輪軸（圖3-16）上主要配置由各缸進

17、、排氣凸輪1，用以使氣門按一定的工作次序和配氣相位及時開閉，并保證氣門有足夠的升程。凸輪受到氣門間歇性開啟的周期性沖擊載荷，因此對凸輪表面要求耐磨，對凸輪要求有足夠的韌性和剛度。 發(fā)動機工作時，凸輪軸的變形會影響配氣相位，因此有的發(fā)動機凸輪軸采用全支承以減小其變形，如圖3-23a所示的發(fā)動機的凸輪軸有五個軸頸2。但是，支承數(shù)多，加工工藝較復雜，所以一般發(fā)動機的凸輪軸是每隔兩個氣缸設置一個軸頸1，如圖3-24所示。為安裝方便，凸輪軸的各軸頸直徑是做成從前向后依次減小的。 凸輪軸的材料一般用優(yōu)質(zhì)鋼模鍛而成，也可采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造。凸輪各軸頸的工作表面一般進熱處理后精磨，以改善其耐磨性。20

18、21-12-28第33頁判定發(fā)動機的發(fā)火次序2021-12-28第34頁凸輪軸的驅(qū)動汽油機的凸輪軸布置在曲軸箱上方時，凸輪軸上還具有用以驅(qū)動機油泵及分電器的齒輪和驅(qū)動汽油泵的偏心輪。凸輪軸通常有曲軸通過一對定時齒輪驅(qū)動，小齒輪和大齒輪分別用鍵裝在曲軸與凸輪軸的前端，其傳動比為2:1。在裝配曲軸與凸輪軸時，必須將定時齒輪記號對準，以保證正確的配氣相位和發(fā)火時刻。2021-12-28第35頁凸輪軸的驅(qū)動2021-12-28第36頁凸輪軸2021-12-28第37頁挺柱 挺柱的功用是將凸輪的推力傳給推桿（或氣門桿），并承受凸輪軸旋轉(zhuǎn)時所施加的側(cè)向力。挺柱在其頂部裝有調(diào)節(jié)螺釘，用來調(diào)節(jié)氣門間隙。氣門頂

19、置式配氣機構(gòu)的挺柱一般制成筒式（圖3-27b），以減輕重量。圖3-27c所示為滾輪式挺柱，其優(yōu)點是可以減小摩擦所造成的對挺柱的側(cè)向力。這種挺柱結(jié)構(gòu)復雜，重量較大，一般多用于大缸徑柴油機上。挺柱常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵制造，其摩擦表面應經(jīng)熱處理后研磨。 熱膨脹造成的氣門關閉不嚴的問題用預留氣門間隙的方法來解決；但由于氣門間隙的存在，配氣機構(gòu)在工作時將產(chǎn)生沖擊而發(fā)出響聲。為了解決這一矛盾，有的發(fā)動機上采用了液壓挺柱。2021-12-28第38頁2021-12-28第39頁液壓挺柱2021-12-28第40頁 推桿的作用是將從凸輪軸經(jīng)過挺柱傳來的推力傳給搖臂，它是氣門機構(gòu)中最易彎曲的零件，要求

20、有很高的剛度。在動載荷大的發(fā)動機中，推桿應盡量做的短些。對于缸體和缸蓋都是鋁合金制造的發(fā)動機，其推桿最好用硬鋁制造。推桿可以是實心或空心的。鋼制實心推桿一般是同球形支座鍛成一個整體，然后進行熱處理。硬鋁棒制成的推桿，推桿兩端配以鋼制的支承。鋼管制成的推桿，前者的球頭是直接鍛成的，然后經(jīng)過精磨加工；后者的球支承則是壓配的，并進淬火和磨光，以保證其耐磨性。2021-12-28第41頁搖臂 搖臂實際上是一個雙臂杠桿（圖3-1、圖3-31、圖3-32），用來將推桿傳來的力改變方向，作用到氣門桿端以推開氣門。圖3-31中搖臂1或9的兩邊臂長的比值（稱為搖臂比）約為1.2-1.8，其中長臂一端是推動氣門的。端頭的工作表面一般制成圓柱形，當搖臂擺動時可沿氣門桿端面滾滑，這樣可以是兩者之間的力盡可能沿氣門軸線作用。搖臂內(nèi)還鉆有潤滑油道和油孔。在搖臂的短臂端螺紋孔中旋入用以調(diào)節(jié)氣門間隙的調(diào)節(jié)螺釘10，螺釘?shù)那蝾^與推桿的凹球座相接觸。2021-12-28第42頁圖圖3-32a3-32a所示搖臂由所示搖臂由4545鋼沖壓而成，圖鋼沖壓而成，圖3-32b3-32b所示搖臂是用鑄鐵或鑄鋼精鑄所示搖臂是用鑄鐵或鑄鋼精鑄而成，它與液壓挺柱聯(lián)合使用，所以搖臂上不用氣門間隙調(diào)整螺釘。而成，它與液壓挺柱聯(lián)合使用，所以搖臂上不用氣門間隙調(diào)整螺釘。2021-12-28第43頁