汽车构造-配气机构-12-st课件

2024/7/31第三章第三章 配气机构配气机构72024/7/32本章主要内容配气机构的功用及组成配气定时及气门间隙气门组气门传动组2024/7/33第第一节一节 概述概述功用功用：配气机构是进、排气的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，定时地开闭进、排气门、向气缸供给可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封。进饱排净，四行程发动机都采用气门式配气机构。2024/7/34充气效率充气效率：新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度，用充气效率c表示。空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。c越高，表明进入气缸的新气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。2024/7/35分析：分析：（1）c，M，燃烧热量，发动机功；（2）c总是小于1。（注：根据公式PV=mRT，一方面由于进气系统对气流阻力造成进气终了时气缸内压力降低，即P；另一方面上一循环残余废气又使进入的新鲜气体温度上升，即T；对于容积一定的气缸来说，V一定、P、T m一般c=0.800.90，应该想办法提高充气效率。)c=M/M0 新气：可燃混合气或新鲜空气 进口状态：指大气温度和大气压力下 充气效率表示燃气或空气充满气缸的程度，即进气行程中，实际进入气缸内的新气质量与进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新气质量之比。2024/7/36对配气机构的要求进气充分排气干净运动部件质量小刚度大2024/7/37配气机构的型式配气机构的型式1、根据气门的安装位置的不同，分为（1）气门顶置式 气门位于气缸盖上称为气门顶置式配气机构，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。其特点，进气阻力小，燃烧室结构紧凑，气流搅动大，能达到较高的压缩比，目前国产的汽车发动机都采用气门顶置式配气机构。2024/7/38 气门位于气缸体侧面称为气门侧置式配气机构，由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了推杆、摇臂等另件，简化了结构。因为它的进、排气门在气缸的一侧，压缩比受到限制，进排气门阻力较大，发动机的动力性和高速性均较差，逐渐被淘汰。（2）气门侧置式(SV)2024/7/392、按照凸轮轴的布置位置，分为：主要优点是凸轮轴离曲轴较近，可用齿轮传动，传动简单。主要缺点是气门和凸轮轴相距较远，因而气门传动另件较多，结构较复杂，发动机高度也有所增加。在高速发动机中已被淘汰。仅用于发动机转速在5000r/min以下的发动机中，国产轻、中型车上。1）凸轮轴下置式凸轮轴置于曲轴箱内的配气机构为凸轮轴下置式配气机构。2024/7/310（2）凸轮轴中置凸轮轴位于气缸体的中部由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去推杆，这种结构称为凸轮轴中置配气机构。凸轮轴置于机体上部的配气机构被称为凸轮轴中置式配气机构。有些凸轮轴中置式配气机构的组成与凸轮轴下置式配气机构没有什么区别，只是推杆较短而已 2024/7/311凸轮轴中置2024/7/312凸轮轴上置有两种结构，一是凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，这样既无挺柱，又无推杆，往复运动质量大大减小，此结构适于高速发动机。另一种是凸轮轴直接驱动气门或带液力挺柱的气门，此种配气机构的往复运动质量更小，特别适应于高速发动机。（3）凸轮轴上置凸轮轴置于气缸盖上的配气机构为凸轮轴上置式配气机构(OHC)。2024/7/313凸轮轴顶置2024/7/314摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构 2024/7/315摆臂驱动、凸轮轴上置式配气机构 2024/7/316直接驱动、凸轮轴上置式配气机构 2024/7/3173、按照曲轴和凸轮轴的传动方式，分为（1）齿轮传动（2）链条传动（3）齿形带传动传动方式传动方式传动路线传动路线特点特点应用应用齿轮传动齿轮传动曲轴正时齿轮（钢）曲轴正时齿轮（钢）凸凸轮轴正时齿轮（铸铁或胶轮轴正时齿轮（铸铁或胶木减少噪声）木减少噪声）工作可靠，啮合工作可靠，啮合平稳、噪声小平稳、噪声小凸轮轴下置、凸轮轴下置、中置式配气中置式配气机构机构链条传动链条传动曲轴曲轴链条链条凸轮轴正时凸轮轴正时齿轮齿轮成本高，易磨损，成本高，易磨损，易伸长，传动平易伸长，传动平稳性差，振动、稳性差，振动、冲击和噪声冲击和噪声 凸轮轴上置凸轮轴上置式配气机构式配气机构 齿形带传动齿形带传动曲轴曲轴齿形皮带齿形皮带凸轮轴凸轮轴正时齿轮正时齿轮成本低，但工作成本低，但工作性能好性能好凸轮轴上置凸轮轴上置式配气机构式配气机构2024/7/3184、按照每缸气门数目分 二气门、四气门、五气门、八气门等等。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。为了改善换气，在可能的条件下，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，气门直径最大一般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。因此，在很多新型汽车发动机上多采用每缸四个气门结构。即两个进气门和两个排气门。2024/7/319 特点：凡是进气门和排气门数量相同时，进气门头特点：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；凡是进气门数比排气门数多时，部直径总比排气门大；凡是进气门数比排气门数多时，排气门头部直径总比进气门大排气门头部直径总比进气门大 2024/7/320每缸气门数2024/7/321每缸气门数2024/7/322四、配气机构的组成包括气门组和气门传动组弹簧座气门锁片气门油封气门弹簧气门凸轮轴正时齿轮齿形带张紧轮曲轴正时齿轮液力挺柱凸轮气门组气门传动组2024/7/323五、气门间隙 气门间隙是指气门完全关闭时，气门杆尾端与摇臂或挺柱之间的间隙。（注：凸轮的凸起部分不顶挺柱）它的作用是补偿气门受热后的膨胀量。不同机型，气门间隙的大小不同，根据实验确定，一般冷态时，排气门间隙大于进气门间隙，进气门间隙约为0.250.3mm，排气门间隙约为0.30.35mm。摇臂摇臂气门间隙气门间隙气门杆气门杆为何排气为何排气门间隙大门间隙大于进气门于进气门间隙？间隙？2024/7/324气门间隙气门间隙气门间隙气门间隙气门间隙气门间隙2024/7/325气门间隙过大与过小的危害：气门间隙过大与过小的危害：间隙过大：进、排气门开启迟后，缩短了进排气时间，降低了气门的开启高度，改变了正常的配气相位，使发动机因进气不足，排气不净而功率下降；此外，还使配气机构零件的撞击增加，磨损加快。无间隙或间隙过小：发动机工作后，零件受热膨胀，将气门推开，使气门关闭不严，造成漏气，功率下降，并使气门的密封表面严重积碳或烧坏，甚至气门撞击活塞。2024/7/326气门间隙的调整2024/7/327第二节配气相位第二节配气相位 配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开闭时刻和开启的持续时间。通常用环形配气相位图来表示。2024/7/328理论上的配气相位分析 理论上讲进、压、功、排各占180，也就是说进、排气门都是在上、下止点开闭，延续时间都是曲轴转角180。但实际表明，简单配气相位对实际工作是很不适应的，它不能满足发动机对进、排气门的要求。原因：实际发动机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短，当转速为5600r/min时一个行程只有60/（56002）=0.0054s，就是转速为1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或排气过程，使发动机进气不足，排气不净。可见，理论上的配气相位不能满足发动机进饱排净的要求，那么，实际的配气相位又是怎样满足这个要求的呢？下面我们就进行分析。2024/7/329实际的配气相位分析 为了使进气充足，排气干净，除了从结构上进行改进外（如增大进、排气管道），还可以从配气相位上想点办法。进气门的早开晚闭进气门的早开晚闭 活塞到达进气行程下止点时，由于进气吸力的存在，气缸内气体压力仍然低于大气压，在大气压的作用下仍能进气；另外，此时进气流还有较大的惯性。由此可见，进气门晚关可以增加进气量。进气门早开，可使进气一开始就有一个较大的通道面积，可增加进气量。气门能否早开晚闭，延长进、排气时间呢？2024/7/330排气门的早开晚闭排气门的早开晚闭 在作功行程快要结束时，排气门打开，可以利用作功的余压使废气高速冲出气缸，排气量约占50%。排气门早开，势必造成功率损失，但因气压低，损失并不大，而早开可以减少排气所消耗的功，又有利于废气的排出，所以总功率仍是提高的。当活塞到达上止点时，气缸内废气压力仍然高于外界大气压，加之排气气流的惯性，排气门晚关可使废气排得更净一些。由此可见，气门具有早开晚关的可能。那么气门早开晚关对发动机实际工作又有什么好处呢？2024/7/331 进气门早开进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。进气门晚关进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。排气门早开排气门早开：借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。排气门晚关排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。2024/7/332二、二、气门重叠气门重叠 由于进气门早开，排气门晚关，进气门在上止点前开启，而排气门在上止点后关闭，势必造成在同一时间内两个气门同时开启的现象，这个现象叫气门重叠，把与两个气门同时开启时间相当的曲轴转角叫作气门重叠角。在这段时间内，可燃混合气和废气是否会乱串呢？不会的，这是因为：a.进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，而重叠时间又很短，不至于混乱，即吸入的可燃混合气不会随同废气排出，废气也不会经进气门倒流入进气管，而只能从排气门排出；b.进气门附近有降压作用，有利于进气。2024/7/333三、进、排气门的实际开闭时刻和持续时间三、进、排气门的实际开闭时刻和持续时间2024/7/334实际进气时刻和延续时间：在排气行程接近终了时，活塞到达上止点前，即曲轴转到离上止点还差一个角度，进气门便开始开启，进气行程直到活塞越过下止点后时，进气门才关闭。整个进气过程延续时间相当于曲轴转角180+。-进气提前角进气提前角 一般一般=10=103030 -进气延迟角进气延迟角 一般一般=40=408080 所以进气过程曲轴转角为所以进气过程曲轴转角为230230290290实际排气时刻和延续时间：同样，作功行程接近终了时，活塞在下止点前排气门便开始开启，提前开启的角度一般为4080，活塞越过下止点后角排气门关闭，一般为1030，整个排气过程相当曲轴转角180+。-排气提前角排气提前角 一般一般=40=408080 -排气延迟角排气延迟角 一般一般=10=103030 所以排气过程曲轴转角为所以排气过程曲轴转角为230230290290 气门重叠角气门重叠角+=20=2060602024/7/335从上面的分析，可以看出实际配气相位和理论上的配气相位相差很大，实际配气相位，气门要早开晚关，主要是为了满足进气充足，排气干净的要求。但实际中，究竟气门什么时候开？什么时候关最好呢？这主要根据各种车型，经过实验的方法确定，由凸轮轴的形状、位置及配气机构来保证。2024/7/336发发动动机机高高速速运运转转时时气气门门重重叠叠角角大大，低低速速运运转转时时气气门门重重叠叠角角小小四冲程发动机的配气定时应该是进气迟后角和气门重叠角随发动机转速的升高而加大VVT技术关关2024/7/337可变配气定时机构 摇臂轴摇臂轴2024/7/338配气相位演示配气相位演示2024/7/339第三节配气机构的主要零部件第三节配气机构的主要零部件一、气门组一、气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片、卡簧。82024/7/340对气门组的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，保证气门紧压在气门座上。2024/7/341 气门气门 功用功用：控制进、排气管的开闭。2024/7/342气门的工作条件温度高受力复杂速度高受腐蚀2024/7/343气门材料的要求耐热，且有良好的导热性在高温下仍能保持足够的硬度和强度，并耐冲击耐磨损和耐腐蚀2024/7/344气门结构2024/7/345气门头部气门头部 气门头部是一个具有圆锥斜面的圆盘 气门锥角一般为45，也有30，气门头边缘应保持一定厚度，一般为1-3 mm，以防工作中冲击损坏和被高温烧蚀。气门密封锥面与气门座配对研磨。2024/7/346气门头顶部形状气门头顶部形状 气门头顶部形状有平顶，球面顶和喇叭形顶等 平顶平顶：结构简单、制造方便、吸热面积小，质量小、进、排气门均可采用。球面顶球面顶：适用于排气门，强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，但受热面积大，质量和惯性力大，加工较复杂。喇叭形顶喇叭形顶：适用于进气门，进气阻力小，但受热面积大。有的发动机进气门头部直径比排气门大，两气门一样大时，排气门有记号。2024/7/347杆身杆身 杆身与头部制成一体，装在气门导管内起导向作用，杆身与头部采用圆滑过渡连接。气门杆表面经过热处理并且磨光，一般是实心的，有的是空心的，空心杆质量轻，运动惯性力小。特殊的对于某些热负荷特别重，结构尺寸比较大的排气门采用钠冷却气门：Na的熔点为97.8C，在空心气门杆中填入一半金属钠，因此发动机工作温度下纳呈现液态，在气门工作时，纳在气门杆内上下运动，不断地从气门头部吸收热量并传给气门杆使头部得以冷却。2024/7/348尾部尾部 尾部制有凹槽（锥形槽或环形槽）用来安装锁紧件。凹槽（环槽）：安装两半锥形锁片。锁销孔：用锁销固定。2024/7/349气门尾端形状2024/7/3502 2、气门导管、气门导管 功用功用：导向作用，保证气门作直线往复运动。导热作用，将气门头部传给杆身的热量，通过气缸盖传出去。为了保证导向，导管应有一定的长度，气门导管的工作温度也较高，约500k。气门导管和气门的润滑是靠配气机构飞溅出来的机油进行润滑的，因此易磨损。为了改善润滑性能，气门导管常用灰铸铁或球墨铸铁或铁基粉未治金制造。导管内、外圆面加工后压入气缸盖的气门导管孔内，然后再精铰内孔。为了防止气门导管在使用过程中松脱，有的发动机对气门导管用卡环定位。2024/7/3513 3、气门座、气门座 气门座与气门头部密封锥面配合密封气缸，气门头部的热量亦经过气门座外传。气门座可以在缸盖或缸体上直接镗出，也可以采用镶嵌式结构。镶嵌式结构气门座都采用较好的材料（合金铸铁、奥氏体钢等）单独制作-气门座圈。2024/7/3524 4、气门弹簧、气门弹簧 功用功用：保证气门回位；防止运动时传动件发生脱离。气门弹簧的作用在于保证气门回位，在气门关闭时，保证气门与气门座之间的密封，在气门开启时，保证气门不因运动时产生的惯性力而脱离凸轮。气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，它的一端支承在气缸盖上，另一端压靠在气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的尾端。型式型式：a.圆柱螺旋弹簧（普通）b.变螺距的圆柱弹簧：工作时工作圈数不是常数，振动频率经常变化，防止弹簧与气门产生共振，使弹簧在工作中不易折断（造成气门关闭不严）不等距弹簧不等距弹簧 圆柱等螺距弹簧圆柱等螺距弹簧提高弹簧自身刚度，改提高弹簧自身刚度，改变其自振频率变其自振频率随着有效圈数的减少，随着有效圈数的减少，自然频率提高。自然频率提高。2024/7/353 另外锁片、卡簧的功用是在气门弹簧力的作用下把弹簧座和气门杆锁住，使弹簧力作用到气门杆上。c.同心安装的两根弹簧：作用是可以防止共振（两根弹簧的振动频率不一样）；可以降低气门弹簧的高度；可以提高工作的可靠性（一个坏了，另外一个可以继续工作；并且二者旋向相反，防止折断后卡死。旋向相反的两个弹簧，防止断裂的弹旋向相反的两个弹簧，防止断裂的弹簧卡入另一弹簧，一根折断后另一根簧卡入另一弹簧，一根折断后另一根可继续工作可继续工作2024/7/354二二 气门传动组气门传动组功用功用：传递凸轮轴气门之间的运动气门传动组包括气门传动组包括：凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门间隙调整螺钉等。凸轮凸轮凸轮轴正凸轮轴正时齿轮时齿轮推杆推杆摇臂摇臂摇臂轴摇臂轴挺柱挺柱8.12024/7/3551、凸轮轴功用功用：控制气门的开启和关闭，每一个进、排气门分别有相应的进气凸轮和排气凸轮。工作条件工作条件：承受气门间歇性开启的冲击载荷。耐磨，抗冲击韧性，刚度。材料材料：优质钢、合金铸铁、球墨铸铁 结构结构：凸轮、轴颈、偏心轮、驱动分电器螺旋齿轮；每2气缸一个轴颈；轴颈直径前后依次减小；另有空心凸轮轴，如捷达EA113凸轮凸轮驱动分电器的螺旋齿轮驱动分电器的螺旋齿轮凸轮轴轴颈凸轮轴轴颈2024/7/356凸轮凸轮 工作条件：承受气门弹簧的张力，间歇性的冲击载荷。凸轮性能：表面有良好的耐磨性，足够的刚度、韧性。2024/7/357凸轮轴上各同名凸轮的相对角位置符合各缸发火次序模锻或铸造制成360o/4=90o360o/6=60o2024/7/358凸轮轮廓应保证气门的运动规律符合配气相位的要求凸轮的轮廓凸轮的轮廓气门开启点气门开启点消除气门消除气门间隙阶段间隙阶段气门升程最大时刻气门升程最大时刻气门关闭点气门关闭点出现气门出现气门间隙阶段间隙阶段缓冲结束点缓冲结束点2024/7/359凸轮轴的轴向定位凸轮轴的轴向定位作用：作用：为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力。凸轮轴的凸轮轴的轴向间隙轴向间隙气缸体气缸体止推板止推板隔圈（调节环）隔圈（调节环）正时齿轮正时齿轮窜动量窜动量凸轮轴颈凸轮轴颈利用调节环控制轴向窜动利用调节环控制轴向窜动2024/7/360凸轮轴的轴向定位：凸轮轴的轴向定位：止推轴承：止推轴承：第一轴承止推片：止推片：正时齿轮与第一轴颈之间止推螺钉：止推螺钉：正时齿轮盖上 以上各结构中均应留有一定间隙，并可调整。以上各结构中均应留有一定间隙，并可调整。止推片止推片2024/7/361凸轮轴支承发动机工作时，凸轮轴的变形会影响配气定时，因此发动机凸轮轴采用支承。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。2024/7/362凸轮轴支承中置式和下置式：整体式上置式：剖分式2024/7/363凸轮轴的驱动凸轮轴的驱动A A、齿轮传动：、齿轮传动：应用在下置凸轮轴发动机。采用斜齿齿轮。2024/7/364B B、链条和齿形皮带传动、链条和齿形皮带传动：链条传动噪声小，用于中置式或顶置式凸轮轴发动机。曲轴正时曲轴正时齿形带轮齿形带轮中间轴齿中间轴齿形带轮形带轮张紧轮张紧轮凸轮轴正时凸轮轴正时齿形带轮齿形带轮2024/7/365挺柱挺柱作用：作用：将凸轮的推力传给推杆(或气门杆)，并承受凸轮铀旋转时施加的侧向力。材料材料碳钢、合金钢、镍铬合金铸铁2024/7/366（2 2）挺柱的分类：）挺柱的分类：菌式菌式气门侧置式气门侧置式筒式筒式气门顶置式，减轻质量气门顶置式，减轻质量滚轮式滚轮式减小摩擦所造成的对挺柱的减小摩擦所造成的对挺柱的侧向力。多用于大缸径柴油侧向力。多用于大缸径柴油机。机。液压挺柱液压挺柱机械挺柱机械挺柱2024/7/367液力挺柱液力挺柱结构：结构：性能：性能：消除了配气机构的间隙，减小了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各零件的冲击载荷和噪声提高发动机高速时的性能。动机高速时的性能。2024/7/368液力挺柱液力挺柱机油经机油经2 2、3 3、4 4、7 7进入低压油进入低压油腔腔6 6（柱塞（柱塞1111上方），并经上方），并经5 5进进入高压油腔入高压油腔1 1。凸轮作用，挺。凸轮作用，挺柱柱9 9及柱塞下移，高压油腔及柱塞下移，高压油腔1 1油油压升高，使压升高，使5 5压紧在柱塞座上，压紧在柱塞座上，两油腔完全分离；由于液体的两油腔完全分离；由于液体的不可压缩，挺柱与油缸成为一不可压缩，挺柱与油缸成为一个刚体，气门被打开。气门关个刚体，气门被打开。气门关闭后，在弹簧力作用下，挺柱闭后，在弹簧力作用下，挺柱上移，高压腔压力下降，单向上移，高压腔压力下降，单向阀开启，补油，凸轮与挺柱之阀开启，补油，凸轮与挺柱之间始终无间隙。间始终无间隙。在气门受热时，可通过减少补在气门受热时，可通过减少补油量或泄露来自动改变挺柱的油量或泄露来自动改变挺柱的高度。因此，无需气门间隙存高度。因此，无需气门间隙存在。在。2024/7/369桑塔纳发动机液压挺柱工作示意图桑塔纳发动机液压挺柱工作示意图气门关闭时气门关闭时气门打开时气门打开时单向阀单向阀弹簧被压缩弹簧被压缩2024/7/3703 3）气门推杆）气门推杆作用：作用：将挺柱传来的推力传给摇臂。工作情况：工作情况：是气门机构中最容易弯曲的零件。强度要求高，尽量短。材料：材料：硬铝或钢空心推杆空心推杆实心推杆实心推杆硬铝推杆硬铝推杆钢支承钢支承2024/7/3714 4）摇臂）摇臂摇臂结构示意图摇臂结构示意图气门间隙气门间隙调节螺钉调节螺钉调节螺母调节螺母摇臂摇臂摇臂轴套摇臂轴套易磨损部位易磨损部位 堆焊耐磨合金堆焊耐磨合金功用：功用：将推杆或凸轮传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。2024/7/372摇臂结构示意图摇臂结构示意图摇臂比摇臂比=1.2-1.8=1.2-1.8润滑油道润滑油道油槽油槽润滑油道润滑油道装调整螺钉和紧固螺母处2024/7/373摇臂2024/7/374摇臂组示意图摇臂组示意图摇臂轴摇臂轴螺栓螺栓摇臂轴支座摇臂轴支座摇臂轴紧固螺钉摇臂轴紧固螺钉摇臂衬套摇臂衬套调整螺钉调整螺钉摇臂摇臂定位弹簧定位弹簧2024/7/375摆臂与气门间隙自动补偿器 2024/7/376桑塔纳发动机的桑塔纳发动机的配气机构配气机构