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柴油发电机凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂及气门组件结构 |
摘要：配气机构按柴油发电机的工作循环和着火顺序，定时地开启和关闭各缸的进排气门，保证新鲜空气适时充入气缸，并将燃烧后的废气及时排除。其零件依据各自功用可分为两组：以气门为主要零件的气门组和以凸轮轴为主要零件的气门传动组。气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座及锁紧装置等零件。
一、凸轮轴总成
气门传动组由凸轮轴、正时齿轮、挺柱、推杆、摇臂和摇臂轴等零件构成。其作用是按照规定时刻（配气定时）和次序（发灭次序）打开和关闭进、排气门，并保证一定的开度。
在发动机工作时，驱动和控制各缸气门的开启和关闭（如图1所示），使其符合发动机的工作顺序、配气相位和气门开度的变化规律等要求。
1、凸轮轴
（1）工作条件： 承受气门间歇性开启的冲击载荷。
（2）材料： 一般由铸钢或锻钢制成，凸轮及轴承表面经高频淬火或渗碳淬火等硬化处理。
（3）结构：凸轮轴总成包括凸轮轴、凸轮轴轴承，以及凸轮轴正时齿轮、正时链条或传动带（根据情况）。
2、凸轮
凸轮轴上的凸轮有多种设计。凸轮的轮廓应保证气门开启、关闭的时刻和持续时间符合配气相位的要求，并使气门有合适的升程（决定气门通道面积）及升程过程的规律。
同一气缸的进排气凸轮的相对角位置要符合配气相位的要求。 而发动机不同气缸的同名凸轮的相对角位置应符合发动机各气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进气（或排气）凸轮的排列（如图2所示），就可以判断出发动机的工作顺序。
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图1 凸轮轴开启关闭时间和旋转方向 |
图2 发动机同名凸轮位置排列 |
3、凸轮轴轴颈
一般发动机凸轮轴是每隔两个气缸设置一个轴颈。为了安装方便，凸轮轴各轴颈直径是做成从前向后依次减小的。
4、凸轮轴轴承
一般做成衬套压装在缸体上的凸轮轴座孔内。
5、凸轮轴与曲轴的正时
在装配曲轴和凸轮轴时，必须将正时记号对准。 正时标记没有正确对齐，气门将无法在正确的时刻打开和关闭。
6、凸轮轴的轴向定位
为防止凸轮轴轴向窜动，常用的轴向定位方法有止推轴承定位、止推片轴向定位、止推螺钉轴向定位。
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图3 凸轮轴轴向定位零件分解图 |
图4 凸轮轴的轴向定位示意图 |
二、气门挺柱
气门挺柱也称挺杆，直接由凸轮轴驱动。 功用是将凸轮轴的旋转运动转变为往复运动，将凸轮的推力传给推杆或气门，以打开气门，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。 发动机上的挺柱有多种类型，包括整体式挺柱、滚轮式挺柱（凸轮随动杆）和液压挺柱等 。
1、挺柱的分类
（1）整体式挺柱
为轻型气缸设计。主要在较老的发动机或一些高性能的发动机上使用。
（2）滚轮式挺柱
主要用在高压缩比的发动机上。
整体式挺柱和滚轮式挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造，其摩擦表面应经热处理后精磨；可直接装在气缸体上相应处镗出的导向孔中，也可装在可拆式的挺柱导向体中。导向体上有安装记号和定位装置（如图5所示），安装时应区分前后导向体块以及保证安装精度。
2、挺柱偏移
根据经验，平面挺柱工作面最小半径可取为：
Rmin=（dht/dΦc）+（1.5~2.0）.....................（公式1）
使凸轮沿挺柱曲线方向偏移1～3mm（偏置距离和方向如图6所示），可使挺柱在工作时能缓慢旋转，磨损均匀。挺柱上的球面支座半径r2应比推杆上的球头半径r1大0.1～0.3m，以保证既能在两者的配合面间形成楔形油膜，又不使接触应力剧增。挺柱的侧面承受凸轮产生的侧向力，挺柱导向部分应有足够长度，一般取为挺柱工作面直径的1.5~2倍。挺村与挺柱孔的配合多为H7/g6。
3、选配测量方式
传统的挺柱选配测量仪有两种测量方式，这两种测量方式主要区别在于缸盖是否装在缸体上进行测量：一是缸盖在缸盖分装线上完成气门等分装后，设备自动测量气门间隙，完成挺柱选配工作，装上挺柱、凸轮轴，然后在装配大线上装配缸盖总成；二是缸盖分装完成，用缸盖螺栓按工艺要求拧紧在缸体上，再通过在线的挺柱选配测量仪，分别对缸盖、凸轮轴进行测量，完成挺柱选配工作。这两种方式各有特点：第一种方式结构较简单，只对缸盖进行精定位，实现起来简单易行；第二种方式最能体现发动机的最终装配状态，测量数据最有指导意义，但结构较复杂，需要发动机有精定位，且需要对整个系统的尺寸链进行计算，看是否满足设备的测量要求。
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图5 挺柱安装定位装置示意图 |
图6 柴油机挺柱与凸轮偏置 |
三、气门推杆
1、作用
推杆的作用是将挺柱传递的凸轮的运动传到顶置气门。推杆是配气机构中刚度最小的环节，提高其刚度可明显提高整个配气机构的刚度，有时为提高其刚度而适当加大其质量。
2、工作情况
是气门机构中最容易弯曲的零件。
3、材料
推杆多用厚壁无缝钢管或实心铝杆两端压人或焊接球头或球窝而成。球头（球窝）一般用中碳钢淬火。在制造上应注意校直推杆，使不直度不大于0.1～0.2mm。
四、摇臂
摇臂的作用是用来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。 摇臂的设计与安装有多种方式。有些通过衬套空套在摇臂轴上，而摇臂轴又支承在支座上，摇臂轴为空心管状结构，机油从支座的油道经摇臂轴内腔和摇臂中的油道流向摇臂两端进行润滑；为防止摇臂的窜动，在摇臂轴上每两摇臂之间都装有定位弹簧。
1、下置凸轮轴配气机构的摇臂
为使摇臂质量轻而刚度大，摇臂横截面通常做成倒丁字形。其靠气门一端与气门杆端面接触，沿气门杆端面连滚带滑地移动，这不仅使接触面易于磨损，而且气门承受偏心载荷，加重气门与气门导管的磨损。
摇臂在气门杆端面上的接触点位移为
4x=Ib（cosβ-cosβw）.....................（公式2）
式中，β是气门间隙刚消除而气门尚未开启时的摇臂位置角。β是气门开启过程中任一瞬时的位置角。当气门关闭时，气门杆端面高出摇臂轴线的距离Z二（0.35～0.45）气门最大升程时，可以保证接触点的位移最小，取为20°～25°，可以避免接触点过度偏离气门中心线。
Ib和lv之间宜符合于或接近于Ib=2lv/（cosβa+cosβw）的关系（为气门最大升程时的摇臂位置角），以保证接触点的移动范围对称于气门中心线，其中βa是摇臂摆动中心O至气门中心线的距离。
摇臂的材料多为锻钢或可锻铸铁，摇臂气门端柱面应淬硬。
2、顶置凸轮轴式配气机构的摇臂
在顶置凸轮轴式配气机构中，凸轮与摇臂间接触面的磨损严重，经常采用滚轮式摇臂。也可以采用液压间隙调节器来消除气门间隙。液压间隙调节器可以作为摇臂的支点，也可以装在气门的上端。
摇臂的材料多为合金铸铁，与凸轮的接触面冷激硬化或重熔硬化。也可用组合式摇臂，在铝合金摇臂体凸轮端铸人烧结合金块或氨化硅基陶瓷块。
五、气门组件
气门组件包括气门、气门导管、气门油封、气门座及气门弹簧等，如图7所示。有的进气门还设有气门旋转机构。 气门组应保证气门能够实现气缸的密封。
1、气门
气门头部与气门座接触并起密封作用的锥面与气门顶平面的夹角。 气门锥角大小对气门和进排气过程有很重要的影响。大多数发动机的进气门锥角做成30º，而排气门考虑到受热温度高，多做成45º。也有的发动机进排气门锥角都为45º，如图8所示。
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图7 气门组件零件图 |
图8 柴油机气门锥角标注图 |
2、导管
（1）作用： 为气门的运动导向，保证气门直线运动兼起导热作用。
（2）工作条件： 工作温度较高，润滑困难，易磨损。
（3）材料： 用含石墨较多的铸铁，能提高自润滑作用。
（4）加工方法： 外表面加工精度较高，内表面精绞。
（5）装配： 气门杆与气门导管间隙应保证0.05～0.12mm。
3、气门油封
气门油封使机油从气门杆上脱开，并防止机油在气门导管的顶部聚积。有主动式油封和被动式油封两种，如图9、图10所示。
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图9 被动式油封 |
图10 主动式油封 |
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4、气门座
气门座指气缸盖（或气缸体）的进、排气道口与气门密封锥面直接贴合的部位 。 其作用是靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合密封气缸，接受气门传来的热量。 类型分为一体式和镶嵌式两种。
（1）气门座锥角
气门座锥角与气门锥角应相适应，由三部分组成：
——45º（或30º）锥面，与气门密封锥面贴合。
——15º和75º锥角（国外多用30º和60º锥角），用来修正工作 锥面的宽度和上下位置 。
——结合面的宽度b为1mm—3mm。
（2）气门密封干涉角
比气门锥角大0.5~1度的气门座圈锥角，如图11所示。 干涉角的存在使气门在落座时能够切开气门座上的沉积物，而且还能产生更好的机械密封性；也有利于在走合期加速磨合，走合期结束，干涉角逐渐消失，形成良好的全锥面接触。
（3）气门座定位
• 气门座部位可以被抬高或降低，这是通过切除或磨削气门座的上部或下部来实现的。
• 通过定位气门座，如图12所示。气门的位置也可以根据需要进行抬高或降低。
注意：在气门座被正确定位后，一定要确认气门座具有正确的宽度。
• 气门座的宽度可以用一个小的气门座尺进行测量，如果宽度不正确或不符合规范，必须将气门座重新研磨到正确的宽度，同时还要确认气门座的定位是正确的。
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图11 气门密封干涉角示意图 |
图12 气门座定位示意图 |
5、气门弹簧
（1）作用：
• 在气门关闭时，保证气门及时关闭并紧紧与气门座贴合。
• 防止气门在发动机振动时发生跳动而破坏其密封性。
• 在气门开启时，保证气门不因运动惯性而脱离凸轮。
（2）材料：
• 高碳锰钢，铬钒钢等冷拨钢丝。
（3）气门弹簧的装配
气门弹簧的一端支承在气 缸盖或气缸体上，另一端 压靠在气门杆端的弹簧座 上。弹簧座用锁片或锁销固定在气门杆的末端。如图13所示。
6、气门旋转装置
气门旋转装置（如图14所示）使气门在工作过程中相对气门座缓慢旋转。气门头部温度均匀，可防止局部过热引起的变形和清除气门座积炭。
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图13 气门弹簧示意图 |
图14 气门旋转装置示意图 |
总结 ：
目前应用较广的是顶置式配气机构，其装在气缸盖上，除侧置式机构的组成外，还包括摇杆、摇臂等零件。优点是可形成较紧凑的燃烧室，减少进、排气阻力，气门间隙调节方便，不需要增设气门开启的空隙，且燃烧室较小，热损失很少，保证在压缩比很高的情况下，气缸的高度可以适当降低，减小了发动机的体积。但是，顶置式配气机构的结构较为复杂。
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