3.2 配气机构的零件和组件

3.2.1 气门组

气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、锁片等零件，见图3-8。气门组应保证气门能够实现汽缸的密封。

1-气门锁片；2-气门弹簧座；3-气门弹簧；4-气门油封；5-气门弹簧垫；6-气门导管；7-气门；8-气门座；9-汽缸盖；10-气门油封

1.气门（图3-9）

气门的功用是密封汽缸，按照工作循环的要求控制进、排气管的开闭。

气门由头部、杆部组成。头部用来封闭汽缸的进、排气通道，杆部则主要为气门的运动导向。

气门头部受高温作用，承受高压及气门弹簧和传动组惯性力的作用，气门杆在气门导管中做高速直线往复运动，其冷却和润滑条件差，因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门材料常采用合金钢（铬钢或镍铬钢等），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。

气门头部是一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为45°，也有的是30°，见图3-10。气门头边缘应保持一定厚度，一般为1～3mm，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。

气门头顶部形状有平顶、球面顶和喇叭形顶等，见图3-11。

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：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：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。

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，尾部制有凹槽（锥形槽或环形槽）用来安装锁紧件。

2.气门导管（图3-12）

气门导管的功用是起导向作用，保证气门作直线往复运动；起导热作用，将气门头部传给杆身的热量，通过汽缸盖传出去。

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、外圆面加工后压入汽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。

1-气门导管；2-卡环；3-汽缸盖；4-气门座

3.气门座（图3-12）

气门座与气门头部密封锥面配合密封汽缸，气门头部的热量也经过气门座外传。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。

4.气门弹簧（图3-13）

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，它的一端支撑在汽缸盖上，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。

气门弹簧多用中碳铬钒钢丝或硅铬钢丝制成圆柱形螺旋弹簧，见图3-13（a）。气门弹簧在工作时承受着频繁的交变载荷，为保证其可靠地工作，气门弹簧应有合适的弹力、足够的刚度和抗疲劳强度。加工后应对气门弹簧进行热处理，钢丝表面要磨光、抛光或喷丸处理，借以提高疲劳强度，增强气门弹簧的工作可靠性。

安装时，气门弹簧的一端支撑在汽缸盖或汽缸体上，而另一端则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末端。为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距的圆柱形弹簧（图3-13（b）），如红旗CA7560型汽车8V100 型发动机气门弹簧。大多数高速发动机使用的是气门装有同心安装的内、外两根气门弹簧（图3-13（c）），这样不但可以防止共振，而且当一根弹簧折断时，另一根仍可维持工作；此外，还能减小气门弹簧的高度。当装用两根气门弹簧时，气门弹簧的螺旋方向和螺距应各不相同，这样可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内。

5.气门旋转机构（图3-14）

为了使气门头部温度均匀，防止局部过热引起的变形和清除气门座积炭，可设法使气门在工作中相对气门座缓慢旋转。气门缓慢旋转时在密封锥面上产生轻微的摩擦力，有阻止沉积物形成的自洁作用。

6.锁片、卡簧

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。

3.2.2 气门传动组

气门传动组的作用是使气门按发动机配气相位规定的时刻及时开、闭，并保证规定的开启时间和开启高度。气门传动组由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂等零件组成。

1.凸轮轴 （图3-15）

凸轮轴的功用是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。

凸轮轴主要由凸轮1、凸轮轴轴颈2等组成（图3-16）。凸轮的形状影响气门的开闭时刻及高度，凸轮的排列影响气门的开闭时刻和工作顺序（根据凸轮轴可以判断工作顺序）。工作中，凸轮轴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，凸轮轴要有足够的韧性和刚度。

1-凸轮；2-凸轮轴轴颈；3-驱动汽油泵的偏心轮；4-驱动分电器等的螺旋齿轮

由图3-16可以看出，同一汽缸的进、排气凸轮的相对角位置是与既定的配气相位相适应的。发动机各个汽缸的进、排气凸轮的相对角位置应符合发动机各缸的点火次序和点火间隔时间的要求。因此，根据凸轮轴的旋转方向以及各缸进、排气和凸轮的工作顺序，就可以判定发动机的点火次序。图3-16所示的四缸四冲程发动机，每完成一个工作循环，曲轴须旋转两周而凸轮轴只旋转一周，在这期间内，每个汽缸都要进行一次进气或排气，且各缸进气或排气的时间间隔相等，即各缸进或排气凸轮彼此间的夹角均为360°/4=90°。由图3-16（c）可见，汽车发动机的点火次序为1-2-4-3（凸轮轴旋转方向，从前端向后看）。若六缸四冲程发动机的凸轮轴逆时针旋转，其点火次序为1-5-3-6-2-4，任何两个相继点火的汽缸进或排气凸轮间的夹角均为360°/6＝60°，见图3-17。

凸轮轮廓形状见图3-18。O点为凸轮轴的轴心，EA弧为凸轮的基圆。当凸轮按图示方向转过EA弧段时，挺柱处于最低位置不动，气门处于关闭状态。凸轮转过A点后，挺柱开始上移。至B点，气门间隙消除，气门开始开启，凸轮转到C点，气门开度达到最大，而后逐渐关小，至D点，气门闭合终了。此后，挺柱继续下落，出现气门间隙，至E点挺柱又处于最低位置。φ对应着气门开启持续角，ρ1和ρ2则分别对应着消除和恢复气门间隙所需的转角。凸轮轮廓BCD弧段为凸轮的工作段，其形状决定了气门的升程及其升降过程的运动规律。

凸轮轴由曲轴通过传动装置驱动，通常采用一对正时齿轮传动，见图3-19。小齿轮和大齿轮分别用键安装在曲轴和凸轮轴的前端，其传动比为2∶l。在装配曲轴和凸轮轴时，必须将齿轮正时标记对准，以保证正确的配气相位和点火时刻。

为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受正时斜齿轮产生的轴向力，凸轮轴必须有轴向限位装置。常见的轴向限位装置见图3-20。在凸轮轴前轴颈与正时齿轮之间，压装一个调节隔圈6，调节隔圈外面松套一止推板4，止推板用止推板固定螺钉5固定在汽缸体前端面上，因调节隔圈的厚度大于止推板的厚度，使止推板与正时齿轮1的轮毂端面之间有一定的间隙。间隙的大小可通过改变调节隔圈的厚度来调整。当凸轮轴产生轴向移动时，止推板便与凸轮轴颈端面或与正时齿轮轮毂接触，止推板磨损后可以更换。这样的装置既能限制凸轮轴的轴向窜动，又能使凸轮轴自由转动。

1-正时齿轮；2-正时齿轮轮毂；3-锁紧螺母；4-止推板；5-止推板固定螺钉；6-调节隔圈

2.挺柱（图3-21）

挺柱的功用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。由于气门间隙的存在，发动机工作时，配气机构中将发生撞击而产生噪声。为解决这一矛盾，有些发动机采用了液力挺柱。

1-挺柱体；2-单向阀架；3-柱塞；4-卡环；5-支承座；6-单向阀碟形弹簧；7-单向阀；8-柱塞弹簧

如图3-22所示，在挺柱体1中装有柱塞3，在柱塞上端压入支承座5。柱塞经常被柱塞弹簧8压向上方，其最上位置由卡环4来限制，柱塞下端的单向阀架2内装有单向阀碟形弹簧6和单向阀7。发动机工作时，发动机润滑系统中的机油从主油道经挺柱体侧面的油孔流入，并经常充满柱塞内腔及其下面的空腔。当气门关闭时，柱塞弹簧8使柱塞3连同压合在柱塞中的支承座5紧靠着推杆，整个配气机构中不存在间隙。当挺柱被凸轮推举向上时，推杆作用于支承座5和柱塞3上的反力力图使柱塞克服柱塞弹簧8的弹力而相对于挺柱体1向下移动，于是柱塞下部空腔内的油压迅速增高，使单向阀7关闭。由于液体的不可压缩性，整个挺柱如同一个刚体一样上升，这样便保证了必要的气门升程。当气门开始关闭或冷却收缩时，柱塞所受压力减小，由于柱塞弹簧8的作用，柱塞向上运动，始终与推杆保持接触，同时柱塞下部的空腔中产生真空度，于是单向阀7再次被吸开，油液便流入挺柱体腔，并充满整个挺柱内腔。

由上述工作过程可以看出，若气门受热膨胀，挺柱回落后向挺柱体腔内的补油过程，便会减小补油量（工作过程中）或使挺柱体腔内的油液从柱塞与挺柱体间隙中泄漏一部分（停车时），从而使挺柱自动“缩短”，因此可不留气门间隙而仍能保证气门的关闭。相反，若气门冷缩，则向挺柱体腔内的补油过程，便会增加补油量（工作过程中）或在柱塞弹簧作用下将柱塞上推，吸开单向阀向挺柱体腔内补油（停车时），从而使挺柱自动“伸长”，因此仍能保持配气机构无间隙。采用液力挺柱，消除了配气机构中的间隙，减小了各零件的冲击载荷和噪声，同时凸轮轮廓可设计得较陡一些，以便气门开启和关闭得更快，减小进、排气阻力，改善发动机的换气，提高发动机的性能，特别是高速性能。但液力挺柱结构复杂，加工精度要求较高，而且磨损后无法调整，只能更换。

3.推杆（图3-23）

推杆的作用是将从凸轮轴传来的推力传给摇臂，它是配气机构中最容易弯曲的零件，要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量做得短些。

4.摇臂（图3-24）

摇臂实际上是一个双臂杠杆，将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端打开气门。