第三章-配气机构

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,配气机构,1,、作用,：按,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（汽油机）或空气（柴,油机）,及时进入,气缸，废气,及时排出,气缸。,大气环境下充满气缸工作容积的新气质量（,kg,）,=,每循环实际进气量（,kg,）,100%.,愈大，新鲜可燃混合气进入气缸的数量愈多，着火时放热量愈大，输出功率愈大。,一般在,80 %90 %,。,.,影响因素：,1,）进气终了压力（进气阻力损失）（,0.750.90bar,）,2,）进气终了温度（残余废气等加热）（,370400K,）,3,）残余废气存在。,.,3,、要求,：（,1,）足够高的充气效率（,2,）工作可靠（,3,）配气相位准确（,4,）气门,机构,有良好的高速动力特性（传动链不飞脱、不反跳、不提前落座）,2,、充气效率,：评价气缸内换气过程好坏的指标，用,表示。,.,第一节 气门式配气机构的布置及传动,（一）按气门的布置形式分：,1,）顶置气门式,2,）侧置气门式,.,（,二）按凸轮轴的布置位置分：,1,）下置凸轮轴式,2,）顶置凸轮轴式,.,（,三）按凸轮轴的传动方式分：,1,）齿轮传动式,2,）链条传动式,3,）齿形皮带传动式,.,1,）二气门（传统一进一排）,2,）多气门（四气门为主）,1,、组成：,由,气门组,和,气门传动组,组成,2,、分类：,（四）按每缸气门数目分：,一、侧置气门式气门机构,3,、优缺点：曲轴到气门距离近，方便齿轮传动，气门间隙调整方便，但气道拐弯多，流动阻力大，充气效率低，燃烧室扁平，结构不紧凑，容易爆震，压缩比低（仅为,6,）。,.,1,、结构特点：,气门布置在气缸体一侧，气门头部朝上，没有摇臂、推杆，下置式凸轮轴，齿轮传动。,.,2,、工作原理：,正时齿轮副带动凸轮轴转动，转到凸轮桃尖顶起气门挺杆，推动气门克服弹簧预紧力开启。,凸轮基圆与气门挺杆接触时，气门在气门弹簧预紧力的作用下关闭。,.,二、顶置气门式气门机构,3,、优缺点：凸轮轴靠近曲轴，便于齿轮驱动，但凸轮离气门远，气门传动机构复杂，零件多，机构刚性差，动力特性差，难以适应高速化。,结构特点：气门布置在气缸盖上，气,门头部朝下。,.,优点：气道平滑，充气效率高，燃烧室,紧凑，压缩比高。,.,缺点：气门离曲轴远，传动机构复杂。,.,（一）下置式凸轮轴,.,1,、结构特点：凸轮轴布置在曲轴侧面，有挺柱、推杆、大摇臂。,.,2,、工作原理：正时齿轮副带动凸轮轴转动，凸轮桃尖顶起挺柱、推杆、大摇臂的一端（调整螺钉），绕摇臂轴转动，另一端（长）镀铬面推动气门克服弹簧预紧力使气门开启,凸轮轴布置在气缸盖上，气门传动机构容易布置，省去刚性较差的推杆等零件，机构动力特性好，容易上高速，但曲轴离凸轮轴远，驱动机构复杂，空间布置困难。,A,：,带单摇臂,适用于半球形燃烧室，进、排气道分置于发动机纵向两侧。,摇臂的镀铬面与凸轮型面接触，摇臂转动时，摇臂的调整螺钉端（长）压迫气门杆克服弹簧预紧力使气门开启,优点是气门间隙调整方便，凸轮最大升程可以较小，但气门夹角偏大，不利于布置直的进气道。,（二）顶置凸轮轴（,OHC,）,1,、单顶置凸轮轴（,SOHC,）,（,Single Over Head Camshaft,）,（,1,）,二气门（传统）,B,：,凸轮直接驱动气门,完全取消气门摇臂，由凸轮直接驱动气门。一根凸轮轴上有进、排气凸轮（,混合凸轮,）使得气门只能直上直下运动，不能采用结构紧凑的半球形燃烧室，进排气道左右分置。优点是气门机构刚性好，具有良好的动力特性，更适应高速机，但气门间隙调整困难。,.,上海桑塔纳时代超人,200GSI AJR,电喷发动机的配气机构,上海桑塔纳时代超人,AJR,发动机、红旗,488-3,发动机、一汽奥迪,100,以及南汽索菲姆柴油机均使用这一配气机构。,2,、双顶置凸轮轴,双顶置凸轮轴一般用于四气门配气机构，齿形皮带传动。大多数是完全取消气门摇臂的,气门直接传动方式,。与两气门相比，气门质量小，配气机构动力特性更好，更容易上高速机，而且，由于便于采用结构紧凑的半球形燃烧室，气门夹角较小，便于布置直的进气道，进气阻力较小，发动机高速动力性能较高。为便于气门间隙调整，有的发动机带,单气门摇臂驱动气门,，但凸轮外形一般不对称。,调整螺钉,调整螺钉,三、凸轮轴的传动方式,（三）齿形皮带传动：,（,1,）优点：兼顾齿轮传动和链条传动的主要优点（配气相位准确，但要解决皮带松弛问题；空间布置自由度大；磨损、噪声小）。,（,2,）缺点：工作可靠性、耐久性差，摩擦阻力大，怕机油（一般用齿形皮带罩壳密封住），工作性能随温度变化大 。,（一）齿轮传动：,（,1,）优点：配气相位准确，工作可靠性和耐久性好。,（,2,）缺点：噪音、磨损较大，空间布置困难，重量大。,一般用斜齿，以提高工作平稳性。,（二）链传动：,（,1,）优点：空间布置自由度大，对机型变化适应性强，制造成本低，工作可靠，维修方便。,（,2,）缺点：链条容易松弛，须带张紧器，配气相位容易变化，需定期调整，噪声、磨损大，耐久性较差。,序列齿轮传动结构图,链条传动结构图,上链条张紧装置,下链条张紧轮,曲轴链轮,中间链轮,凸轮轴链轮,导链板,四、多气门机构,（,1,）三气门（二进、一排）,（,2,）四气门（二进、二排）（常见）,（,3,）五气门（三进、二排）,（,4,）七气门（四进、三排）（国外实验研究过，不理想）,.,多气门优点：,1,、在相同缸径条件下，气门头部尺寸小，重量轻，气门升程小，有利于高速化；,2,、进气总通过断面积增加，有利于提高充气效率；,3,、有利于形成结构紧凑的燃烧室；,4,、排气门热负荷低。,多气门缺点：结构复杂，成本高。,四气门,五气门机构,五气门机构,（单顶置凸轮轴、单摇臂驱动气门）,五、气门间隙,原因：,发动机工作时气门及气门传动件,受热膨胀,，如果冷态时无气门间隙或气门间隙过小，则在热态时势必引起,气门关闭不严,，造成在压缩和作功行程中,漏气,，导致发动机,功率下降,，,排气门烧坏,，严重时,甚至不能起动,。气门间隙过大，则会引起气门及气门座、气门传动件之间产生,撞击,，,磨损加剧,，,机械噪声加大,，而且气门开启时刻推迟、关闭时刻提前，,换气持续时间缩短,，也会导致发动机,功率下降,。,2,）顶置凸轮轴：,（,2,）顶置气门式配气机构：,i,、,带单摇臂（图,c,所示）,ii,、,直接驱动（图,d,、,e,所示）,1,）下置式凸轮轴（图,b,所示）,为什么发动机在冷态时必须预留适当大小的气门间隙？,针对不同气门机构的发动机，如何调整气门间隙？,调整,：,（,1,）侧置气门式配气机构（图,a,所示）：,图（,a,）,所示：打开气缸体侧面挺杆处盖板，松开锁紧螺母，,调高调整螺栓（逆时针方向转动），气门间隙减小,，,调低调整螺栓（顺时针方向转动），气门间隙增大。,用厚薄规检查（图示）。,（,b,）,带双摇臂，气门间隙调整螺钉在短摇臂端、推杆一侧，,顺时针方向转动调整螺钉,，摇臂绕摇臂轴逆时针方向转动（凸轮、推杆静止不动），,气门间隙减小,；,逆时针方向转动调整螺钉,，摇臂绕摇臂轴顺时针方向转动，,气门间隙增大,。,图,c,所示，,带单摇臂，凸轮直接驱动短摇臂端，气门间隙调整螺钉在长摇臂端。,顺时针方向转动调整螺钉，气门间隙减小，逆时针方向转动调整螺钉，气门间隙增大。,图,d,所示，凸轮直接驱动气门，无气门间隙调整螺钉，气门间隙调整垫片在挺柱壳内，,只有卸下凸轮轴后才能更换调整垫片,，调整气门间隙非常困难。,图,e,所示，凸轮直接驱动气门，无气门间隙调整螺钉，气门间隙调整垫片在挺柱体顶上，用专用工具取出调整垫片，更换另一厚度的调整垫片（每个调整垫片均有厚度值，用厚薄规测出现在的气门间隙后，根据需要调整到的气门间隙值换算出所需更换的调整垫片厚度值）。,日本丰田佳美轿车两次调整四缸机气门间隙次序表：,（发火次序：,1-3-4-2,）,处于,TDC,位置的气缸,进气门调整,排气门调整,1,4,12,34,13,24,请同学们考虑为什么？,如果发火次序是,1-2-4-3,呢？,第二节 配气相位,配气相位：,用曲轴转角表示进、排气门开闭时刻，并用圆弧表示气门的开启角度和关闭角度。,活塞顶一般需设避阀坑（气门重叠角大者避阀坑较深，压缩比大者避阀坑较深）。,为什么气门要提前开启和迟后关闭？,原因：,1,、进气门早开：减少节流损失,2,、进气门迟闭：利用气流惯性多进气,3,、排气门早开：（,1,）自由排气，排除大部分废气,（,2,）减少压缩负功,4,、排气门迟闭：利用气流惯性多排气,.,气门重叠角：,在进气上止点前后，有一段时间进、排气门同时开启，重叠的曲轴转角叫气门重叠角。,.,汽油机气门重叠角为什么不能过大？,原因：如果过大，在怠速或低负荷运转时，节气门开度极小，进气管内真空度很大，废气会倒流入进气管内。这既会造成废气稀释，又会引起进气管内,“,放炮,”,现象。,.,最佳的气门重叠角随发动机转速上升而增大；,.,汽油机的气门重叠角,柴油机。,.,第三节 配气机构的零件和组件,一、气门组,4,、气门弹簧弹力足以克服气门及气门传动件的惯性力，使气门能迅速开、闭，并保证气门与气门座之间有一定的接触应力，以保证密封。,组成：由气门、气门导管、气门座和气门弹簧等零件组成,作用：密封燃气。,要求：,1,、气门头部与气门座必须贴合紧密；,2,、气门杆在气门导管内孔中上、下滑动自如，无卡滞现象；,.,3,、气门弹簧两端面与气门杆中心线垂直；,.,c,、,凸球面形,-,强度高，排气阻力小，易清除废气，但吸热面,积大，质量大，加工复杂，仅适用于排气门。,.,一、气门,（,1,）结构：由头部和杆部组成。,.,工作特点：高温、高压、润滑不良、冷却条件差。,.,要求：足够的强度、刚度、耐热和耐磨。,.,材料：进气门,合金钢（如铬钢或镍铬钢等）。,.,排气门,耐热钢（如硅铬钢等），为节约成本，多采,用头部用耐热合金钢、杆部用合金钢的堆焊形式。,.,结构特点：（,1,）杆部至头部圆滑过渡,-,提高刚度。,.,（,2,）气门头部形状：,a,、,平顶,-,结构简单，制造方便，吸热面积小，质量小，适用,于进、排气门；,.,b,、,喇叭形,-,杆部至头部过渡圆弧半径大，刚度好，进气阻力小，,但吸热面积大，仅用于进气门；,.,（,5,）气门杆端形状：,决定于气门弹簧座的固定形式：,（,2,）气门座圈过盈压配,-,耐高温、耐磨的合金铸铁或奥氏体钢材料制成的气门座圈，但容易脱落，导热性差。,1,）两半锥形锁片,-,尾端沉割槽；,2,）锁销,-,尾端径向小孔。,.,2,、气门座,作用：,1,）传热（气门头部热量）；,2,）密封（燃烧室）。,.,工作特点：高温、高接触应力、润滑不良、冷却条件差。,.,结构：（,1,）气缸盖或气缸体上直接镗出,-,铸铁气缸盖，低性能要求；,.,柴油机大部分用铸铁气缸盖，气门座圈过盈压配，但容易压碎；汽油机用铝合金气缸盖，采用气门座圈过盈压配方式时，需在气门座圈外圆上切几道环槽（图示）。,.,材料：灰铸铁、球墨铸铁、铁基粉末冶金。,3,、气门导管：,作用：导向,-,气门杆直线运动；,传热,-,气门杆热量。,.,结构：台阶圆筒，过盈压配在气缸盖上，下端伸入气道内部。,.,工作特点：高温、润滑不良、与气门杆高速滑动。,.,要求：耐热、耐磨。,.,作用：克服气门及传动件惯性力，防止,出现间隙，保证气门及时关闭且,紧密贴合，不会因发动机振动等,原因出现气门不正常开启现象。,.,（,1,）压缩弹簧：,1,）圆柱弹簧（等螺距、变螺距）；,2,）圆锥弹簧。,.,（,2,）内外两根弹簧，可使安装高度减小，注意螺旋方向相反。,4,、气门弹簧,要求：（,1,）足够的刚度及安装预紧力,（,2,） 疲劳强度高,（,3,）加工精度高，如垂直度要求、,自由公差小等。,.,材料：高碳锰钢、铬钒钢等冷拔钢丝，,加工后要经热处理。,.,结构特点：,二、气门传动组,b,：,摇臂驱动气门式：,凸轮轴、气门摇臂及摇臂轴、正时齿轮（带中间齿轮）或正时链轮（带链条、张紧器等）或正时带轮（带齿形皮带、张紧器等）。,作用,：使进、排气门按各缸发火次序及配气相位规定的时刻开、闭，且保证一定的气门升程和合适的气门运动规律。,.,组成,：与气门布置形式、凸轮轴布置形式及传动方式有关。,.,（一）侧置气门式配气机构：正时齿轮副、下置凸轮轴、挺杆。,.,（二）顶置气门式配气机构：,1,、下置凸轮轴：正时齿轮副、下置凸轮轴、挺柱、推杆、气门,摇臂及摇臂轴。,.,2,、顶置凸轮轴：,a,：,凸轮直接驱动气门式：,凸轮轴、正时齿轮（带中间齿轮）或正时链轮（带链条、张紧器等）或正时带轮（带齿形皮带、张紧器等）。,.,气门锥角较小，,则,在气门升程相同的情况下，气流通过断面较大,。但头部厚度较薄，刚度差，密封性差，仅适用于进气门（,30 ,），排气门均用,45,锥角（热负荷高）。,原因：进气压差小，流速低，排气压差大，流速高，按进出气体流量相等原则，可以进大、排小。此外，进气门头部直径较大的好处是增加进气量，提高充气效率，从而提高发电机功率。排气门头部直径较小的好处是减轻了排气门的热负荷。,（,4,）气门直径：同一气缸上进气门头部直径大、排气门头部直径小。,（,3,）气门锥角：,45,或,30 ,。,.,凸轮：（,1,）各缸同名凸轮之间夹角,-,各缸发火次序确定的,发火间隔角确定。如,4,缸机，为,720/2/4=90,凸,轮夹角（图示）,.,1,、凸轮轴,：,工作特点：受到气门间歇性开启的周期性冲击性载荷。,.,要求：足够的（心部）冲击韧性和刚度，凸轮表面耐磨。,.,材料：优质钢模锻，合金铸铁或球墨铸铁铸造，凸轮和轴颈表,面经热处理后精磨。,.,结构：凸轮、轴颈、驱动机油泵和分电盘的蜗轮、驱动汽油泵,的偏心轮（传统汽油机的混合式凸轮轴，如图示）。,.,分类：,a,：,混合式凸轮轴,-,进、排气凸轮在一根凸轮轴上。,b,：,单一凸轮轴,-,同名凸轮在一根凸轮轴上。,（,2,）每缸进、排气凸轮之间夹角,-,配气相位及气门,机构几何运动关系确定。如,6100Q,型汽油机，气,门垂直布置，气门及挺柱、推杆皆直上直下运动，,凸轮外形对称，,e1=40,CA,，,e2=19,CA,，,i,1=20,CA,，,i,2=56,CA,。,180,CA,180,CA,2,CA,BDC,TDC,BDC,排气行程,进气行程,e1,i2,i1,e2,(180 +,e1+ e2)/2,CA,(180 +,i1+ i2)/2,CA,2,=(e1+,180+ 180+,i2),-,(,180 +,e1+ e2)/2,-,(180 +,i1+ i2)/2,=90,+(,e1+ i2- e2- i1)/4,= 90,+(40+56-19-20),=10415,（,凸轮转角）,（,3,）凸轮几何形线：,1,）保证配气相位；,2,）合适的气门升程及其运动规律。,.,如图示，,A,点：挺柱始升点,B,点：气门始升点,C,点：最高点。,BCD,段：工作段,-,决定了凸轮（最大）升程及其,运动规律。,D,点：气门最早落座点。,E,点：挺柱运动终点。,缓冲段,-,消除气门间隙，控制气门开启和落座速度。,c:,气门升程愈大，容易与活塞顶发生干涉，避阀坑较深。解决办法,-,采用多气门方案。,气门升程大小直接影响气门开启时流通截面积的大小，但也不是愈大愈好：,a:,气门升程有上限,-,不超过进气道最小流,通截面积；,b:,气门升程愈大，最大负加速度愈大，惯性力愈大，容易发生脱离；,凸轮轴的正时传动：正时齿轮有正时记号，装配时必须对准，如,图示。,凸轮轴安装与拆卸时轴承盖连接螺栓应有一定的次序要求：,（,5,）凸轮轴的轴向定位：,2,、挺柱,：,工作特点：将凸轮推力传给推杆或气门杆，并承受凸轮旋转时所施加的侧向力。,.,要求：质量小、刚度大、耐磨。,.,材料：镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁，其摩擦表面应经热处理后精磨。,（,3,）滚轮式：底面是滚轮，改善磨损，减小侧压力，船用机。,结构特点：,（,1,）筒式：上面凹腔与推杆球面接触，推杆作小幅度摆动，适用于顶置气门式配气机构（质量小）。,（,2,）菌式：实心体，适用于侧置气门式配气机构。,主油道来的机油经过气缸盖油道,2,通过挺柱体,9,侧面的油孔、上盖底部的键形槽,7,流入柱塞,11,内腔形成低压油腔。,.,凸轮转动时，挺柱体,9,与柱塞,11,下移，液压缸,12,底部容积减小，油压升高，加上补偿弹簧,13,的作用，使单向球阀,5,关闭，形成高压油腔。由于液体不可压缩性，液压挺柱犹如刚体一样移动，打开气门。此时气缸盖油道,2,不再向低压油腔供油。,能自动消除气门间隙,液压挺柱结,构示意图：,挺柱体,9,由上盖和圆柱体激光堆焊而成。,.,液压缸,12,与挺柱体,9,内孔精密配合，座落在气门杆尾端。,.,柱塞,11,与液压缸,12,内孔精密配合。,.,液压缸,12,底部装有补偿弹簧,13,，上端座落单向球阀,5,。,.,液压挺柱开始上行时，由于气门弹簧和凸轮下压的作用，高压油腔继续关闭，直至转到凸轮基圆接触处，气门关闭，此时，气门杆、液压缸,12,不再上移，高压油腔容积在补偿弹簧,13,弹力的作用下增大，高压油腔压力下降，在主油道油压的作用下，克服补偿弹簧,13,弹力，推开单向球阀,5,，使两腔相通。,当气门杆受热伸长时，高压油腔内的油液可经过柱塞,11,与液压缸,12,之间的间隙挤入低压油腔，因此，可以不预留气门间隙。,补偿弹簧,13,的作用是始终使液压挺柱顶面与凸轮形线接触，以消除气门间隙。,3,、推杆,：,作用：将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂。,要求：足够的刚度（长度短），质量轻。,材料及结构：图示。,一般是钢制，对缸体与缸盖都是铝合金的发动机，用硬铝制造。,推杆可以是实心或空心的。下端同外凸球面支座锻成一个整体；上端同外凸或内凹球面支座锻成一个整体。,注意：在频繁起动时，使低压油腔中存油减少，或者说低压油腔仅部分存油时，储油容量不足以在起动过程中完全充满高压油腔，高压油腔必然要吸入空气。由于空气是可压缩的，挺柱不能再视,作刚体，从而使气门传动机构产生敲击声。随着运行的继续，挺柱内存留的空气通过柱塞与油缸之间的间隙，以及挺柱体与缸盖挺柱体孔之间的间隙逃逸，直到空气完全排尽，敲击声消失。,结构：厚度方向呈,“,工字形,”,截面，钻有润滑油道，来自凸轮轴中心控油道、摇臂轴承孔的机油通过摇臂自身斜钻的油道流向两端，润滑推杆与气门两端的接触工作表面。,4,、气门摇臂,：,作用：双臂杠杆作用，一则改变推杆力方向，从而使气门运动方向不同于推杆运动方向；二则在较小的凸轮升程下增大了气门升程。,要求：刚度大（机构刚度的一部分），质量轻（自身质量的,1/3,作为机构往复惯性质量），两端工作表面耐磨（渡铬）。,材料：,45,号钢冲压或铸铁、铸钢精铸而成。,