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(共30张PPT)
项目三　 配气机构
任务一　 配气机构的概述
任务二　 配气相位
任务三　 气门组的主要零件
任务四　 气门传动组的主要零件
任务五　 配气机构的检查与调整
任务六　 配气机构典型故障
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任务四　气门传动组的主要零件
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。由于配气机构的布置型式多样, 故气门传动组的差别也很大。气门传动组通常由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂和摇臂轴等组成, 如图3-27 所示。
一、凸轮轴
凸轮轴的功用与结构。
如图3-28 所示, 凸轮轴上加工有凸轮1、凸轮轴轴颈2 等。凸轮用于保证各缸进、排气门按一定的工作次序和配气相位及时开、闭。凸轮轴通过轴颈固定在气缸体或气缸盖上。
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任务四　气门传动组的主要零件
对于下置式凸轮轴的汽油机还具有驱动分电器等的螺旋齿轮4 及驱动汽油泵的偏心轮3 等结构。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷, 因此要求凸轮表面要耐磨, 且凸轮轴要有足够的韧性和刚度。凸轮轴一般用优质钢模锻而成, 也有的用合金铸铁或球墨铸铁铸造而成。凸轮和轴颈的工作表面经热处理后需进行精磨和抛光, 以使其具有足够的硬度和耐磨性。
凸轮是凸轮轴上的重要组成部分。凸轮的轮廓决定了气门升程、气门开闭的持续时间和运动规律。凸轮的轮廓形状如图3-29 所示。O 点为凸轮轴的旋转中心, 圆弧EA 为凸轮的基圆。当凸轮按图3-29 所示方向转过EA 圆弧时, 挺柱处于最低位置不动, 气门处于关闭状态。
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任务四　气门传动组的主要零件
对于普通挺柱而言, 凸轮转过A 点后, 挺柱开始上移, 但由于气门间隙的存在, 气门并没有开启。凸轮转至B 点与挺柱接触时, 气门间隙消除, 气门开始开启。凸轮转到C 点与挺柱接触时, 气门开度达到最大。凸轮轴继续转动, 挺柱开始下移, 气门在气门弹簧的作用下开始关闭。当凸轮转到D 点与挺柱接触时, 气门完全关闭。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 圆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。
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任务四　气门传动组的主要零件
凸轮轮廓曲线是对称的, 在凸轮轮廓与基圆结合处设有一小段缓冲段, 以减小气门在打开和落座时的冲击, 减小噪声与磨损。由于气门打开的BC 段受力要大于落座的CD 段, 因此BC 段的磨损要大于CD 段。所以使用一段时间后, 气门开启时间推迟, 开启持续角减小,气门的升程有所降低, 发动机的充气效率下降。
大多数发动机凸轮轴上的一个凸轮驱动一个气门。对于每缸两气门配气机构而言, 凸轮轴上凸轮的数量是缸数的两倍, 其中半数为进气凸轮, 驱动进气门; 半数为排气凸轮, 驱动排气门。
由图3-30 可以看出, 同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置是与既定的配气相位相适应的。
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发动机各个气缸进、排气凸轮的相对角位置应符合发动机各缸的做功次序和做功间隔时间的要求。因此, 根据凸轮轴的旋转方向以及各缸进、排气凸轮的工作顺序, 就可以判定发动机的做功次序。如图3-28 所示的四缸四行程发动机, 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, 在此期间, 每个气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3-28 可见, 汽车发动机的做功次序为1-2-4-3 (凸轮轴旋转方向, 从前端向后看, 如图中箭头所示)。如图3-30 所示的六缸四行程发动机的做功次序为1-5-3-6-2-4, 任何两个相继做功的气缸进气或排气凸轮间的夹角均为360°/6=60°。
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任务四　气门传动组的主要零件
凸轮轴由曲轴通过传动机构驱动, 传动装置有正时齿轮、正时链轮和正时带轮等形式。曲轴正时齿轮(或正时链轮、正时带轮) 与凸轮轴正时齿轮(或正时链轮、正时带轮) 分别用键安装在曲轴和凸轮轴的前端, 其传动比为2: 1。传动机构安装时应特别注意曲轴正时齿轮(或正时链轮、正时带轮) 与凸轮轴正时齿轮(或正时链轮、正时带轮) 的相互位置关系。安装不当, 会影响正确的配气相位和点火时刻, 将严重影响发动机的动力性和经济性, 甚至无法工作。一般制造厂出厂时都打有配对记号, 称为正时记号, 应严格按要求安装。如图3-31 所示, 齿轮上的点A 应与点B 相互对齐。
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凸轮轴上置式发动机的正时记号通常有两处, 一处为曲轴正时记号, 一处为凸轮轴正时记号, 安装时两处都必须对正。
二、挺柱
挺柱的作用是将凸轮的推力传递给推杆或气门杆, 并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。挺柱可分为普通挺柱和液力挺柱两种。
1. 普通挺柱
配气机构采用的普通挺柱有筒式和滚轮式两种结构型式, 如图3-32 所示。大多数发动机采用筒式挺柱, 筒式挺柱钻有通孔, 便于筒内收集的机油流出对挺柱底面及凸轮加以润滑; 另外, 由于挺柱中间为空心, 故其质量可较小。
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大型柴油机采用滚轮式挺柱可以显著减少摩擦力和侧向力, 但结构较复杂, 质量较大。挺柱位于导向孔内, 有些发动机的导向孔直接在缸体或缸盖上镗出, 也有些发动机采用可拆式挺柱导向体, 导向体固定在缸体上, 挺柱装入导向体的导向孔内。
挺柱工作时, 由于受凸轮侧向推力的作用, 会稍有倾斜, 并且由于侧向推力方向是一定的, 将引起挺柱与导管之间的单面磨损, 同时挺柱与凸轮固定不变地在一处接触, 也会造成磨损不均匀。因此, 挺柱在结构上有的制成球面, 而且把凸轮面制成带锥度形状, 如图3-33所示, 这样凸轮与挺柱的接触点偏离挺柱轴线, 当挺柱被凸轮顶起上升时, 接触点的摩擦力使其绕本身轴线转动, 以达到磨损均匀的目的。
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2. 液力挺柱
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, 如图3-34 所示。液力挺柱由挺柱体3、油缸4、柱塞2、单向阀5、单向阀弹簧7 和柱塞弹簧8 等部件组成。
挺柱体是液力挺柱的基础件, 外圆柱面上加工有环形油槽, 顶部内侧加工有键形油槽, 中部内圆柱面与油缸配合。油缸内装有柱塞, 两者存在着相对运动。单向阀弹簧将单向阀压靠在柱塞的阀座上, 该弹簧还可以使挺柱顶面与凸轮轮廓线保持紧密接触, 从而消除气门间隙。
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油缸与柱塞、单向阀与单向阀弹簧装配在一起, 构成了气门间隙补偿偶件。球阀将油缸下部和柱塞上部分隔成两个油腔。当球阀关闭时, 上部为低压油腔、下部为高压油腔; 当球阀打开时, 上、下油腔连通。发动机工作时, 机油可以通过缸盖上的主油道及专门设计的量孔、斜油孔进入挺柱体环形油槽, 再经键形油槽进入柱塞上部的低压油腔, 这样缸盖上主油道与液力挺柱的低压油腔之间便形成了一个通路。
液力挺柱装在气缸盖上的挺柱孔内, 挺柱顶面与凸轮接触, 油缸底面则与气门杆端接触。液力挺柱的工作原理如图3-36 所示。
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当凸轮轴转动, 凸轮的升程段与挺柱顶面接触时, 挺柱在凸轮推动力作用下向下移动, 高压腔内的机油被压缩, 单向阀在压力差和单向阀弹簧的作用下关闭, 高、低压油腔被分隔开。由于液体的不可压缩性, 整个挺柱如同一个刚体一样下移推开气门并保证了气门升程。此时挺柱体上的环形油槽已离开了气缸盖上的进油位置, 停止进油。当挺柱开始上行返回时, 在弹簧向上顶压和凸轮下压的作用下, 高压油腔继续封闭, 液力挺柱仍可认为是一个刚体, 直至上行到凸轮处于基圆即气门关闭时为止。
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此时, 气缸盖主油道中的机油经量油孔、斜油孔和挺柱体上的环形油槽再次进入挺柱的低压油腔, 由于挺柱不再受凸轮推动力和气门弹簧力的作用, 高压油腔中的机油与回位弹簧推动柱塞上行, 高压油腔的油压下降, 单向阀打开, 低压油腔中的机油流入高压油腔, 使两腔连通充满机油。这时, 液力挺柱的顶面仍然和凸轮表面紧贴, 从而起到了补偿气门间隙的作用。当气门受热膨胀时, 柱塞和油缸做轴向相对运动, 高压油腔中机油可经过油缸与柱塞间缝隙被挤入低压油腔。所以使用液力挺柱时, 可以不预留气门间隙。
一汽奥迪、捷达/ 高尔夫、宝来轿车及广本雅阁轿车和上海通用别克型轿车发动机均采用液力挺柱。
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三、推杆
采用下置凸轮轴式的配气机构, 利用推杆将挺柱传来的力传给摇臂。推杆下端与挺柱接触, 上端与摇臂调整螺钉接触。由于摇臂绕摇臂轴转动, 推杆在做上下往复直线运动的同时, 上端随摇臂一起做微量的摆动。为防止发生运动干涉,推杆下端做成球形, 与挺柱的凹球面配合; 推杆上端做成凹球面, 与摇臂调整螺钉球形头部配合。这样还可以在接触面间储存一定的润滑油, 减轻磨损。推杆的结构如图3-37 所示。
推杆承受压力, 很容易变形。除要求有足够的刚度外,应尽可能做得短一些。推杆的材料通常是钢制的, 对于缸体和缸盖都是铝合金制造的发动机, 其推杆最好用硬铝制造。
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任务四　气门传动组的主要零件
推杆可以是实心的, 也可以是空心的。钢制实心结构推杆同两端的球形或凹球形支座锻成一个整体, 而铝制实心结构推杆在两端配以钢制的支座。空心推杆多采用冷拔无缝钢管制成, 两端配以钢制的支座。两端的支座必须经过淬火和磨光处理, 以保证其耐磨性。
推杆的损伤主要表现为杆身弯曲变形、裂纹及两端头磨损等。
气门推杆表面应光滑、平直, 不得有裂纹; 推杆杆身直线度误差应不大于0. 30mm, 否则应进行冷压校直处理; 气门推杆两端头凹球或凸球磨损, 可采用弹簧钢丝堆焊, 再进行修磨。
四、摇臂组件
摇臂组件的结构。
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任务四　气门传动组的主要零件
摇臂是一个中间带有圆孔的不等长双臂杠杆, 其作用是将推杆传来的力改变方向, 作用到气门杆尾部使其推开气门。
摇臂的长臂端部以圆弧形的工作面与气门尾端接触用以推动气门, 如图3-38 (a) 所示; 短臂的端部有螺孔, 用来安装调整螺钉及锁紧螺母, 以调整气门间隙。螺钉的球头与推杆顶端的凹球座相连接。由于靠气门一端的臂长, 所以在一定的气门升程下, 可减小推杆、挺柱等运动件的运动距离和加速度, 从而减小了工作中的惯性力。图3-38 (b) 所示为薄板冲压而成的摇臂, 它与液力挺柱配合使用, 所以摇臂上不安装气门间隙调整螺钉。
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任务四　气门传动组的主要零件
图3-39 所示为气门摇臂组件, 主要由摇臂、摇臂轴、摇臂轴支座及定位弹簧等组成。摇臂7 通过摇臂衬套6 空套在摇臂轴2 上, 摇臂轴是空心的, 两端带有密封端盖1。摇臂轴又通过摇臂轴支座5、10、12 固定在气缸盖上。摇臂上钻有油孔, 润滑油从缸体、缸盖上的主油道和摇臂轴支座中的油道进入中空的摇臂轴, 然后通过轴上的径向孔进入摇臂与摇臂轴之间进行润滑, 再通过摇臂上的细小油道把润滑油输送到与推杆相配合的球形工作面进行润滑。为防止摇臂轴向窜动, 在摇臂轴每两个摇臂之间都装有限位弹簧。
摇臂由锻钢、可锻铸铁、球墨铸铁或铝合金制造。为提高耐磨性, 在摇臂支座的轴孔内镶有青铜衬套或装有滚针轴承。
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图3-27　气门传动组
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图3-28　四缸四行程汽油机凸轮轴
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图3-29　凸轮轮廓形状
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图3-30　六缸四行程发动机进(排) 气凸轮投影
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图3-31　正时齿轮安装记号
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图3-32　普通挺柱
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图3-33　减轻底面磨损的结构措施
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图3-34　液力挺柱结构
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图3-35　奥迪和桑塔纳轿车发动机液力挺柱
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图3-36　液力挺柱工作原理
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图3-37　推杆
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图3-38　摇臂
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图3-39　摇臂组
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