1.3配气机构（课件）-《汽车构造与拆装》同步教学（电子工业版）

任务三 配气机构 任务目标 ●知识目标 1.掌握配气机构的功用与组成。 2.了解配气机构的分类。 3.掌握气门组的结构与组成。 4.掌握气门传动组的结构与组成。 5.掌握气门正时的工作原理。 ●能力目标 1.能够独立完成配气机构的拆装 。 任务引入 配气机构对发动机性能具有重要影响。它的主要功能是实现汽油机的换气过程，根据汽缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证汽缸吸入新鲜空气和排除废气。配气机构的性能及其密封性直接影响发动机的充气效率、空燃比，乃至影响发动机的性能。 一、配气机构的功用与组成 相关知识 配气机构按照发动机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入汽缸，废气从汽缸排出。 进入汽缸内的新气数量（进气量）对发动机性能的影响很大。进气量越大多，发动机的有效功率和转矩越大。因此，配气机构首先要保证进气充分，进气量尽可能大；同时，废气要排除干净，因为汽缸内残留的废气越多，进气量越小。 功用 1 组成 2 目前，四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构。气门式配气机构由气门组和气门传动组两部分组成，如图 1-95 所示，每组的零件组成与气门的位置、凸轮轴的位置和气门驱动形式等有关。现代汽车发动机均采用顶置气门，即进、排气门置于汽缸盖内，倒挂在汽缸顶上。 二、配气机构的分类 按气门的布置位置不同分类 1 配气机构按气门布置方式可分为气门侧置式和气门顶置式两种形式，如图 1-96 所示。 按凸轮轴的位置分类 2 配气机构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三种，如图 1-97 所示。 按曲轴与凸轮轴的传动方式分类 3 按曲轴与凸轮轴的传动方式可分为齿轮传动、链条传动、齿形带传动三种，如图 1-98 所示。 按气门驱动形式分类 4 按气门驱动形式可分为摆臂驱动和直接驱动两种，如图 1-99 所示。 按每缸气门的数目分类 5 按每缸气门的数目可分为两气门、三气门、四气门、五气门、八气门等，如图 1-100 所示。 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。现代很多新型汽车发动机上多采用每缸四个气门的结构，即两个进气门和两个排气门。 三、气门组 气门组的功用与组成 1 功用：封闭进、排气道。 组成：由气门、气门座、气门导管、气门弹簧等组成，如图 1-101 所示。 气门 2 气门的工作条件非常恶劣。气门直接与高温燃气接触，受热严重，而散热困难，因此气门温度很高； 气门承受气体力和气门弹簧力的作用，以及由于配气机构运动件的惯性力，气门落座时受到冲击； 气门在润滑条件很差的情况下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动； 气门由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。 （1） 气门的工作条件 汽车发动机的进、排气门均为菌形气门，由气门头部和气门杆两部分构成，如图 1-102 所示。 气门与气门座或气门座圈之间靠锥面密封。气门锥面与气门顶面之间的夹角称为气门锥角，如图 1-103 所示。 （2） 气门构造 气门顶面有平顶、凹顶和凸顶等形状，如图 1-104 所示。 在某些高度强化的发动机上采用中空气门杆的气门，旨在减小气门质量和减小气门运动的惯性力。为了降低排气门的温度，增强排气门的散热能力，在许多汽车发动机上采用钠冷却气门，如图 1-105 所示。 （3） 中空气门杆的气门 气门组组件 3 汽缸盖上与气门锥面相贴合的部位称为气门座，如图 1-106 所示。气门座的温度很高，又承受频率极高的冲击载荷，容易磨损，因此，铝汽缸盖和大多数铸铁汽缸盖均镶嵌由合金铸铁、粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈，如图 1-107 所示。 （1） 气门座与气门座圈 气门导管的功用是对气门的运动进行导向，保证气门做直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。 气门杆与气门导管孔需要润滑，但进入气门导管孔内的机油又不能太多，否则将使机油消耗量增加，为了控制和减少机油消耗量，在气门导管上面装有气门油封，如图 1-108 所示。 （2） 气门导管与气门油封 气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。 气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧，如图 1-109 所示。 （3） 气门弹簧 （1）采用双气门弹簧 为防止共振的发生，可采取下列结构措施。 （2）采用变螺距气门弹簧 （3）采用锥形气门弹簧 气门杆与弹簧连接有两种方式。一种是锁夹式，另一种是以锁销代替锁夹销的径向孔，通过锁销进行连接。气门弹簧座与气门锁片如图 1-110 所示。 （4） 气门弹簧座与气门锁片 气门旋转机构如图 1-111 所示，当气门工作时，如能产生缓慢的旋转运动，可使气门头部周向温度分布比较均匀，从而减小气门头部的热变形。同时，气门旋转时，在密封锥面上产生轻微的摩擦力，能够清除锥面上的沉积物。 （5） 气门旋转机构 四、 气门传动组 气门传动组的功用与组成 1 功用：使进、排气门按配气相位规定的时刻开启和关闭。 组成：主要由正时皮带轮、皮带轮导轮、正时皮带、凸轮轴正时皮带轮、传动齿轮、辅助齿轮、齿轮弹簧、驱动齿轮、进排气凸轮轴、气门挺柱等组成，如图 1-112 所示。 凸轮轴 2 凸轮轴承受周期性的冲击载荷。凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此，凸轮工作表面的磨损比较严重。 （1） 凸轮轴的工作条件 凸轮轴主要由凸轮、轴颈两部分组成，如图 1-113 所示。凸轮分为进气凸轮和排气凸轮两种，用来驱动与控制气门的开启和关闭；轴颈对凸轮轴起支承作用。 （2） 凸轮轴的构造 中置式和下置式凸轮轴的轴承一般制成衬套压入整体式轴承座孔内，再加工轴承内孔，使其与凸轮轴轴颈相配合。上置式凸轮轴的轴承多由上、下两片轴瓦对合而成，装入剖分式轴承座孔内。 轴承材料多与主轴承相同，在低碳钢钢背上浇敷减摩合金层。也有的凸轮轴轴承采用粉末冶金衬套或青铜衬套。 （3） 凸轮轴轴承 （4） 凸轮轴传动机构 齿轮传动机构如图 1-114 所示，用于下置式和中置式凸轮轴的传动。 （1）齿轮传动机构。 链传动机构如图 1-115 所示，用于中置式和上置式凸轮轴的传动，尤其是上置式凸轮轴的高速汽油机采用链传动机构的很多。 （2）链传动机构。 齿形带传动机构如图 1-116 所示，用于上置式凸轮轴的传动。与齿轮和链传动机构相比具有噪声小、质量小、成本低、工作可靠和不需要润滑等优点。 （3）齿形带传动机构。 （5） 凸轮轴的轴向定位 为了限制凸轮轴在工作中产生的轴向移动或承受螺旋齿轮在传动时产生的轴向力，凸轮轴需要轴向定位。上置式凸轮轴通常利用凸轮轴轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈两侧的凸肩进行轴向定位。中、下置式凸轮轴的轴向定位通常采用止推板，止推板用螺栓固定在机体前端面上。第三种轴向定位的方法是止推螺钉定位。 挺柱 3 挺柱是凸轮的从动件，其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气门，同时还承受凸轮所施加的侧向力，并将其传给机体或汽缸盖。 （1） 挺柱的功用 挺柱可分为机械挺柱和液压挺柱两大类，每一类中又有平面挺柱和滚子挺柱等多种结构形。 （2） 挺柱的结构 机械挺柱的结构简单，质量小，在中、小型发动机中应用比较广泛。挺柱上的推杆球面支座的半径比推杆球头半径略大，以便在两者中间形成楔形油膜来润滑推杆球头和挺柱上的球面支座。 （1）机械挺柱。 在配气机构中预留气门间隙将使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。为了消除这一弊端，有些发动机尤其是轿车发动机采用液压挺柱，借以实现零气门间隙。气门及其传动件因温度升高而膨胀，或因磨损而缩短，都会由液压作用来自行调整或补偿。液压挺柱如图1-117所示。 （2）液压挺柱。 ①液压挺柱的构造。 液压挺柱由挺柱体、液压缸、柱塞、单向阀罩、单向阀弹簧和柱塞弹簧等组成，液压挺柱结构如图1-118所示。 ②液压挺柱的工作原理。 挺柱顶面与凸轮轴凸轮直接接触，液压缸底面与气门杆尾端接触，如图 1-119 所示。 推杆 4 推杆处于挺柱和摇臂之间，其功用是将挺柱传来的运动和作用力传给摇臂。在凸轮轴下置式的配气机构中，推杆是一个细长杆件（图 1-120），加上传递的力很大，所以极易弯曲。因此，要求推杆有较好的纵向稳定性和较大的刚度。 摇臂组件 5 摇臂组件主要有摇臂、摇臂轴、摇臂支座、气门间隙调整螺钉和定位弹簧等，如图 1-121所示。 摇臂的功用是将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启。摇臂是一个双臂杠杆，以摇臂轴为支点，两臂不等长。短臂端加工有螺纹孔，用来拧入气门间隙调整螺钉。长臂端加工成圆弧面，是推动气门的工作面。摇臂如图 1-122 所示。 摆臂与气门间隙自动补偿器 5 摆臂的功用与摇臂相同。两者的区别只在于摆臂是单臂杠杆，其支点在摆臂的一端。在许多轿车发动机上用气门间隙自动补偿器代替摆臂支座实现零气门间隙。气门间隙自动补偿器无论是结构还是工作原理都与液压挺柱相同，它既是摆臂的支座，又是补偿气门间隙变化的装置。摆臂与气门间隙自动补偿器如图 1-123 所示。 气门间隙：发动机在冷态下，当气门处于关闭状态时，气门与传动件之间的间隙称为气门间隙。气门间隙的大小可用塞尺测量。气门间隙的大小因机型而异，通常进气门间隙为 0.25~0.30mm 排气门间隙为 0.30~0.35 mm。气门间隙的调整如图 1-124所示。 五、气门正时 换气过程 1 四冲程发动机配气机构均采用气门换气方案，其换气过程是排气门开启到进气门关闭的整个时期，占曲轴转角 380°~490°。根据气体流动特点和进排气门运动规律，换气过程可分为以下六个阶段。 自由排气 强制排气 惯性排气 准备进气 正常进气 惯性进气 配气相位 2 配气相位（配气正时）：就是用曲轴转角表示的进、排气门的实际开闭时刻和开启的持续时间。用曲轴转角的环形图来表示配气相位，这种图形称为配气相位图，如图 1-125 所示。 （1） 进气提前角 进气门在活塞到达上止点之前开启，称为进气门早开。 （2） 进气延迟角 进气门在活塞到达下止点之后关闭，称为进气门晚关。 （3） 排气提前角 排气门在做功冲程结束之前，即在活塞到达下止点之前开启， （4） 排气延迟角 进气门在活塞到达下止点之后关闭，称为进气门晚关。 （5） 气门重叠角 进气门在活塞到达下止点从配气相位图上可以看出，进气门早开和排气门晚关，致使活塞在上止点附近出现进、排气门同时开启的现象，称其为气门重叠。之后关闭，称为进气门晚关。 可变气门正时与升程 3 发动机的气门冲程是受凸轮轴转角长度控制的，在普通的发动机上，凸轮轴的转角长度固定，气门冲程也是固定不变的。而采用可变冲程技术的发动机，气门冲程能随发动机转速的改变而改变。可变气门正时与升程。该技术既能保证低速高扭矩，又能获得高速高功率，对汽车发动机而言是一个极大的突破。 （1） 本田发动机的 VTEC 技术 VTEC（可变气门正时及升程电子控制）机构的组成如图 1-126 所示 （1）组成。 当发动机在中、低速工作时，没有油压作用于液压活塞上，第一、二摇臂与中间摇臂分离，分别由第一、二低速凸轮驱动第一、二摇臂，再由第一、二摇臂驱动两个气门启闭。这时中间摇臂则随高速凸轮的转动而摆动，但与气门的启闭无关，如图 1-127（a）所示。 （2）工作原理。 当发动机在高速工作时，在油压的作用下，液压活塞 A 、 B 向图 1-127（b）所示的箭头方向移动，使第一、二摇臂与中间摇臂连接在一起，三个摇臂一起在高速凸轮的作用下驱动气门启闭，由于中间凸轮最大，因此两侧气门皆由中间凸轮所连接的中间摇臂所带动，这时低速凸轮不起作用，所以得到快正时、高升程。 当发动机又回到中、低速工作状态时，VTEC 控制阀切断油压，此时固定活塞受到复位弹簧作用，向左推进，进而使得活塞 A 、 B 回到原来的位置，这时两侧的摇臂又开始独立操作。 （2）工作原理。 （2） 保时捷发动机 Variocam 技术 保时捷 Variocam 技术与本田 VTEC 原理接近，而控制方式不同。凸轮轴上依然布置有高速凸轮与低速凸轮，但本田发动机的气门由摇臂驱动，而保时捷发动机的气门直接由凸轮轴上的凸轮驱动。保时捷 Variocam 机构如图 1-128 所示 （3） 宝马发动机 Valvetronic 技术 宝马 Valvetronic 技术的核心是中间杠杆技术，凸轮轴通过驱动相位可调节的中间杠杆实现气门升程的无级调节。宝马 Valvetronic 机构由五个重要部分组成：偏心轴驱动电机、偏心轴驱动齿轮、偏心轴、凸轮轴、中间杠杆，如图 1-129 所示。 任务实践 实践名称 配气机构的拆装 工作准备 发动机翻转架、气门拆装专用工具、橡胶锤、铁夹、扭力扳手、磁棒、常用工具等。 实践要求与注意事项 （1）明确操作规范和职责范围，预防潜在危险。 （2）实践操作过程中保持场地卫生及安全，不嬉戏打闹。 （3）在使用举升机的过程中应上好保险后再开始工作。 （4）使用维修手册时，要注意避免破损，手册与使用车型相对应。 操作步骤及方法检修 （1） 气门的拆装 （1）拆卸。将汽缸盖置于工具台上。如图 1-130 所示。 （2）使用专用工具压缩气门弹簧。如图 1-131 所示。 （3）利用磁棒取下两个气门锁片，如图1-132 所示。 （4）松开专用工具，取下气门、气门座、气门弹簧，如图 1-133 和图 1-134 所示。 （5）拆卸完毕，如图 1-135 所示。 （6）安装。按拆卸过程的相反顺序安装。 （2） 气门传动组的拆装 （1）拆卸。拆开顶部黑色进气管道，取下进气管，如图 1-136 所示。 （2）拔下各传感器、执行器插头，撬开各管线固定卡位，取下线束，如图 1-137 所示。 （3）拆下高压燃油泵、供油管和喷油嘴，如图 1-138 所示。 （4）拧下点火线圈固定螺栓，取下点火线圈，如图 1-139 所示。 （5）松开气门室盖螺母，取下气门室盖，如图 1-140 所示。 （6）用工具松开时规盖固定螺栓，取下时规盖，如图 1-141 所示。 （7）取下正时链条，如图 1-142 所示。 （8）拆开凸轮轴盖固定螺栓，取下凸轮轴盖，如图 1-143 所示。 （9）取下凸轮轴，如图 1-144 所示。 （10）在每个气门挺柱上做好记号，取下气门挺柱，如图 1-145 所示。 （11）拆卸完毕，如图 1-146 所示。 （12）安装，按拆卸过程的相反顺序安装。 （3） 正时皮带的检查与更换 ①先断开蓄电池负极电缆，再断开其正极电缆，如图 1-147 所示。 ②拆下正时皮带上罩，如图 1-148 所示。 （1） 正时皮带的检查。 ③逆时针转动曲轴皮带轮，检查皮带是否有裂纹或有机油、冷却液的污渍，如有应彻底清除；严重时，应更换正时皮带。检查正时皮带的齿形有无磨损，必要时予以更换。逆时针转动曲轴皮带轮，检查皮带是否有裂纹或有机油、冷却液的污渍，如有应彻底清除；严重时，应更时皮带。检查正时皮带的齿形有无磨损，必要时予以更换，如图 1-149 所示。 （2）张紧力的调整。 ①旋转曲轴 5~6 圈，以便调整预紧力，如图 1-150 所示。 ②使第 l 缸活塞处于压缩冲程上止点位置，如图 1-151 所示。 ③旋松调整螺母 2/3~1 圈。 ④逆时针方向转动曲轴，使凸轮轴带轮上的正时皮带转过 3 个齿。 ⑤检查完毕，重新将曲轴皮带轮螺栓以 245 N·m 的拧紧力矩拧紧。 正时皮带与平衡轴皮带张紧力的调整注意事项。 只能在发动机冷态时进行调整；只能逆时针方向转动曲轴 ( 从曲轴皮带轮端看 )；检查皮带是否粘有油污或冷却液；放松调节螺母不要超过一整圈；张紧装置是由弹簧加载的，调整后，张紧装置将自动地使皮带张紧力达到规定要求。 （4）正时皮带的更换。 ①断开电池负极电缆。 ②拆下附件传动带。 ③取下正时皮带上罩，如图 1-152 所示。 ④对正齿轮上的白色标记，并且用专用工具卡住防止移位，如图 1-153 所示。 ⑤抬高汽车，拆下靠近皮带一侧的车轮，如图 1-154 所示。 ⑥卸下同侧底盘上的护板，如图 1-155 所示。 ⑦拧下曲轴皮带轮，如图 1-156 所示。 ⑧取下正时皮带张紧轮，如图 1-157 所示。 ⑨取下正时皮带，如图 1-158 所示。 ⑩更换新的皮带，按相反顺序安装，如图 1-159 所示。 （5）更换正时皮带注意事项。 ①松开曲轴皮带轮的螺栓，此操作必须先用专用工具锁住飞轮。 ②取下正时皮带的前盖时注意：1 号汽缸点火时，凸轮轴正时皮带上的正时标志与其后盖边缘上的标志对准时方可给飞轮解锁。 ③安装新的正时皮带时注意：l 号汽缸点火时，曲轴正时皮带齿上的标志与正时皮带后盖的标志对准。 $$