摘要：气门传动组是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成视配气机构的形式而有所不同，它的功用是定时驱动气门使其开闭。柴油发电机的气门传动组件由凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂等零部件组成。它们的作用是把凸轮的运动传递到气门组件上，以控制气门的开闭。配气机构的正常工作直接关系到柴油发电机组的动力性、经济性和排放性能，因此掌握气门传动组各零件的结构原理与技术要求，对发电机组的维护与检修具有重要意义。本文系统阐述凸轮轴的构造与驱动、挺柱的类型与特点、推杆的结构以及摇臂组的作用与传动比，为柴油发电机组的配气机构维护提供技术指导。
一、凸轮轴
凸轮轴是配气机构中的关键部件，其作用是通过传动零件按发动机的工作循环准确地开启和关闭每个汽缸上的进、排气门。此外，在汽油机上，它还要带动分电器、汽油泵和机油泵；而在柴油机上，它还要带动喷油泵、输油泵等。为了保证柴油机喷油和汽油机点火的准时可靠，凸轮轴和曲轴必须保持一定的正时关系，使发动机正常运转。
1. 凸轮轴的构造
（1）凸轮轴由若干个进、排凸轮和支承轴颈所构成（如图1所示），由端部的正时齿轮驱动。由于发动机的类型不同，所以凸轮轴的构造也不完全一样。对于四冲程柴油机的凸轮轴，除进气凸轮和排气凸轮外，还有喷油泵凸轮。喷油泵凸轮的数量和布置与喷油泵的供油顺序相对应，其轮廓形状决定了喷油泵的供油提前角和供油速率。
（2）凸轮轴上最为重要的部分是凸轮，其轮廓形状直接影响配气机构的工作质量。凸轮的轮廓形状种类较多，但可分为圆弧凸轮和函数凸轮两大类。圆弧凸轮的特点是能获得较大的时面值（即气门的流通截面积与对应的开启时间之乘积），使发动机在高转速时仍能保持较好的充气效率，但加速度不连续，冲击振动较大，容易造成配气机构的早期磨损和噪声增大。函数凸轮的特点是加速度按单一函数连续变化，无加速度突变现象，使配气机构免受冲击，改善了动力性能，提高了配气机构的可靠性和使用寿命，适用于高速、高负荷的柴油机。
（3）气门开启的距离决定于凸轮的顶高（即凸轮基圆到顶端的径向高度差）；气门开启时间的长短决定于凸轮头部的角度，此角度称为夹角。如图2所示，对于四缸四冲程发动机，理论上此夹角为90°，点火顺序为1-3-4-2。对于六缸四冲程柴油机作功间隔角为120°曲轴转角，即相当于60°凸轮轴转角，工作次序为1-5-3-6-2-4。凸轮轴上同名凸轮的相对角位置由发动机的发火顺序和配气相位共同决定，在设计和检修时必须严格保证。
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图1 柴油机凸轮轴构造示意图 |
图2 凸轮轴同名凸轮的相对角位置 |
2. 凸轮轴的驱动
（1）凸轮轴的驱动通常采用齿轮传动，正时齿轮位置如图3所示。采用齿轮传动时，齿轮是装在凸轮轴的前端，与曲轴上的齿轮直接或间接啮合，称为正时齿轮。对于四冲程发动机，每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸进、排气门各开启一次，凸轮轴只旋转一周，因而曲轴与凸轮轴的转速比为2:1。曲轴上的正时齿轮为主动齿轮，对于柴油机，主动齿轮经过一个或两个中间齿轮，再传到凸轮轴上的正时齿轮。
（2）为了使齿轮传动时啮合平稳、减小噪声及减少曲轴上正时齿轮的磨损，通常用不同材料制造。正时齿轮常采用斜齿轮，其倾斜度约10°，斜齿轮在啮合时重叠系数大，传动平稳，噪声小。曲轴上的正时齿轮多用合金钢制造，以承受较大的扭矩和冲击载荷；而凸轮轴上的正时齿轮用铸铁或夹布胶木制造，其优点是噪声低、磨损小，且具有一定的减振作用。齿轮间的间隙应保持在较小范围内，以减小响声。若间隙过大，不但工作时齿与齿之间的撞击噪声大，影响配气，而且使齿轮易损坏。正时齿轮的啮合间隙通常应控制在0.05～0.20mm范围内，使用过程中若间隙超过0.25mm应予以更换或调整。
（3）为了保证曲轴位置与气门开闭时间的固定配合关系，装配时必须注意机件上的正时标记，严格按规定装配。曲轴主动齿轮、左右凸轮轴传动齿轮、喷油泵传动齿轮、水泵传动齿轮及中间齿轮等，其上面都刻有装配啮合标记。在装配正时齿轮时，必须将各齿轮上的正时标记相互对准（通常为“点对点”或“线对点”），以确保配气相位的准确性。若正时标记未对准，将导致气门开闭时间错误，严重时可能造成气门与活塞碰撞，引发重大机械事故。
3. 轴向定位
凸轮轴的轴向定位如图4所示，其作用是为了限制凸轮轴在工作时的轴向运动或承受传动时斜齿轮产生的轴向力，从而需要对凸轮轴进行轴向定位。凸轮轴轴向运动过大会影响斜齿轮驱动的凸轮轴的气门正时，导致配气相位偏移，影响发动机的动力性和经济性。
（1）上凸轮轴通常利用凸轮轴承盖的两个端面和凸轮轴轴颈两侧的台肩进行轴向定位。凸轮轴颈两侧的台肩与轴承盖端面之间的间隙限制了凸轮轴的轴向窜动，正常间隙应为0.05～0.20mm，间隙过大会导致轴向窜动，过小则可能因热膨胀而卡死。
（2）中、下凸轮轴的轴向定位通常采用止推板。止推板用螺栓固定在发动机缸体的前面，止推板与凸轮轴端面之间的间隙应控制在0.05～0.15mm范围内。在检修时，若发现止推板磨损或间隙超限，应更换止推板或进行调整。
（3）第三种轴向定位方法是推力螺钉定位，通过拧入缸体前端的推力螺钉来限制凸轮轴的轴向移动。此方法结构简单，调整方便，但在使用中需定期检查推力螺钉的紧固状态，防止松动导致轴向间隙增大。
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图3 柴油机凸轮轴与正时齿轮联接图 |
图4 凸轮轴轴向定位. |
二、传动机构
配气机构的传动机构是用来传动凸轮轴到气门之间的运动。顶置气门式配气机构，包括气门挺柱、推杆和摇臂组等。
1. 气门挺柱
（1）气门挺柱的作用是将凸轮的推力传递给推杆，并承受凸轮轴旋转所产生的侧向力。当凸轮轴转动时，为避免凸轮尖顶动气门时的横向力直接作用在气门脚上，造成气门杆单向磨损，致使气门上升时发生偏移，影响气门与座的正确配合，因此，在气门与凸轮轴之间装有挺柱来传递凸轮的推力。
（2）挺柱有滑动式、滚轮式及滚轮臂式三种结构形式。
① 整体式挺柱：整体式挺柱以一个整体零件的形式传递运动，它是为轻型气缸设计的，常见的形式有菌形挺柱、平面挺杆和筒形挺杆三种。机械挺柱为桶形，取消了原有垫片调节式机械挺柱配气机构中的垫片，取而代之的是将机械挺柱的内腔中心一体成型一凸台，直接与气门杆顶端相抵，其厚度相当于原有垫片的厚度，即挺柱变成了整体式，同样可以达到对气门间隙的调整，保证发动机的正常工作运转。因此本结构减少了原有结构的零件数量，降低了加工难度，更容易保证质量，降低成本。整体式挺柱的底面（与凸轮接触面）通常制成球面或凸面，使挺柱在工作时能产生自转运动，有利于减少磨损和均匀分布磨损。
② 滚轮式挺柱：在挺柱下面装有一个滚轮，使挺柱与凸轮接触面由滑动摩擦变为滚动摩擦，以减少凸轮的磨损，并且当滚轮、轴承等零件磨损后亦易于更换，其缺点是零件多，制造成本也较高。滚轮式挺柱适用于直径大的柴油机，如康明斯N系列、K系列等大型发动机。滚轮式挺柱的滚轮与滚轮轴之间通常采用滚针轴承或铜套，需定期检查润滑状态，防止因润滑不良导致滚轮卡死。
③ 滚轮臂式挺柱：为了减少挺柱的侧压力，在凸轮和推杆之间用带滚轮的摇臂代替挺柱。滚轮臂套在一根与凸轮轴相平行的轴上，此轴称为滚轮轴。臂与轴之间有铜套，以减少磨损，用平键与滚轮轴相连接。顶喷油泵滚轮臂的铜套是偏心的，以便调整喷油时间。滚轮臂式挺柱常用于大功率柴油机的喷油泵驱动机构中，其偏心铜套的设计允许在不更换零件的情况下微调喷油提前角。
2. 推杆
（1）气门推杆的主要作用是将挺柱的推力传给摇臂，驱动气门开启。推杆的上、下端头经热处理并抛磨，以提高耐磨性；杆身有实心和空心两种。空心推杆质量轻，有利于减少惯性力，适用于高速发动机；实心推杆刚度好，适用于低速重载发动机。
（2）推杆是细长弧形零件，其一般结构包括球头、凸球头和空心杆三部分。推杆通常用无缝钢管冷拉制成，也有的用硬铝制造。在底置凸轮轴的OHV（顶置气门）结构中，由于凸轮轴在气缸体的底部，而气门在气缸盖上，气门和凸轮轴“相距甚远”，这就要求有一个能在它们之间传递动力的部件，因此，推杆就有了存在的空间。
（3）推杆在工作中承受交变的压缩力和弯曲力，其两端球头与挺柱凹座和摇臂调节螺钉之间的接触应良好。若推杆弯曲变形，会导致气门升程减小、配气相位偏移，严重时可能造成推杆脱落或气门无法开启。在检修中，应将推杆放在V形铁上用百分表检查其直线度，若弯曲超过0.05mm应予以校正或更换。
3. 摇臂组
（1）摇臂是柴油发动机配气机构的零件之一，如图4所示。配气机构分为气门组件和气门运动组件，而摇臂属气门运动组件。其作用是将凸轮轴和推杆传来的运动和作用力改变方向，传递给气门组件，使气门开启和关闭，进而受到很大的弯矩，因此应有足够的强度和刚度，并且质量要轻。摇臂通常采用锻钢或球墨铸铁制造，并进行表面淬火处理，以提高耐磨性。
（2）摇臂是一个双臂杠杆，其中在φ12H7孔内安装一个铜衬套，在衬套内再安装一个摇臂轴作为支点，长短臂就绕着该支点摆动。两臂不等长，长短臂比值为1.8～2.2，这个比值称为摇臂的传动比。传动比大于1意味着凸轮和推杆一侧的位移被放大，使气门获得更大的升程。摇臂的传动比越大，气门的开启速度和升程越大，但同时也增加了摇臂的受力和振动倾向。
（3）在摇臂的长端加工有螺纹孔，用来推动气门并安装调节螺钉以调节气门与气门座在冷车时的间隙。气门间隙的调整是配气机构维护中极为重要的操作，间隙过大则气门开度不足、噪声增大；间隙过小则气门关闭不严、易烧蚀。康明斯系列柴油机的进气门间隙通常为0.25～0.30mm，排气门间隙为0.30～0.40mm（具体值视机型而定），调整时应在冷态下进行。
（4）在摇臂的短端加工一个槽和一个孔，采用槽加销轴的结构与推杆相连。工作时，凸轮轴通过挺柱推动推杆，推杆给摇臂一个作用力，使摇臂绕支点摆动，实现气门的开启和关闭。摇臂的润滑通常通过摇臂轴内的油道引入压力润滑油，润滑油经摇臂轴上的油孔流向摇臂衬套和摇臂与推杆的接触面。若摇臂轴油道堵塞，会导致摇臂衬套异常磨损，产生异响，严重时可能造成摇臂卡死。
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图3 机械式气门挺柱类型 |
图4 气门摇臂结构示意图 |
三、传动机构的常见故障与维护要点
传动机构（凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂组）在长期运行中会因磨损、疲劳、润滑不良等原因产生各种故障，及时发现并排除这些故障是保证配气机构正常工作的重要保障。
1. 凸轮轴的故障诊断与维护
（1）凸轮轴的主要故障包括凸轮磨损（导致气门升程减小）、轴颈磨损（导致配合间隙增大）、轴向间隙过大（导致配气相位偏移）和凸轮轴弯曲（导致运转不平稳）。凸轮磨损量可通过测量凸轮顶高与标准值对比来判断，若磨损超过0.20mm应更换凸轮轴。使用外径千分尺测量凸轮基圆直径和凸轮顶端高度，计算凸轮升程，并与标准值对比，偏差超过5%时应更换。
（2）轴颈间隙可用塑料间隙规测量，若超过0.15mm应更换轴瓦或修磨轴颈。测量时，将塑料间隙规置于轴颈上，按规定力矩安装轴承盖，然后拆下测量压扁的间隙规宽度，对照标准值判断间隙是否合格。凸轮轴轴颈与轴承的正常配合间隙通常为0.04～0.09mm，若间隙过大，会导致机油泄漏量增加、油压下降，并产生敲击声。
（3）凸轮轴轴向间隙测量应在发动机冷态下进行，用百分表触头抵住凸轮轴前端，前后撬动凸轮轴，读取百分表的变化量。正常轴向间隙为0.05～0.20mm，若超出范围应调整或更换止推垫片。凸轮轴弯曲变形的检查应在V形架上用百分表测量中间轴颈的径向跳动，若跳动超过0.03mm应进行冷压校正或更换。
（4）凸轮轴正时齿轮的齿面磨损或啮合间隙过大（超过0.25mm）会导致配气相位延迟，影响气门开闭正时。检查时可用塞尺测量齿轮啮合侧隙，或用铅丝压印法测量。齿轮齿面出现疲劳点蚀、剥落或断齿时，应更换齿轮，并同时检查曲轴正时齿轮和中间齿轮的状态。
2. 挺柱的故障诊断与维护
（1）挺柱的常见故障为底面磨损、滚轮卡滞和挺柱与挺柱孔配合间隙过大。挺柱底面磨损后，与凸轮的接触状态恶化，加速凸轮磨损，使凸轮与挺柱的接触由凸轮工作面转移到挺柱边缘，产生异常噪声和磨损。检查时可用着色法观察挺柱底面的接触痕迹，若接触面偏离中心或出现大面积磨损凹陷，应更换挺柱。
（2）滚轮卡滞会使滑动摩擦代替滚动摩擦，产生异常磨损和噪声，严重时滚轮在凸轮表面拖拽出一道沟槽，导致凸轮轴和挺柱双双报废。滚轮卡滞的原因通常为润滑不良或滚针轴承损坏。检查时应用手转动滚轮，感受转动是否灵活，若有卡滞或间隙过大（滚轮径向晃动超过0.05mm），应更换滚轮式挺柱总成。
（3）挺柱与挺柱孔的配合间隙通常为0.02～0.06mm，间隙过大时挺柱在孔中产生敲击声（清脆而连续的“嗒嗒”声），且机油泄漏量增加，导致凸轮润滑不足。测量时用内径千分尺测量挺柱孔内径，用外径千分尺测量挺柱外径，计算配合间隙。若间隙超过0.10mm，应更换挺柱或修复挺柱孔（铰孔后配用加大尺寸的挺柱）。
（4）挺柱的旋转运动对其均匀磨损至关重要，若挺柱不旋转，会导致凸轮和挺柱的偏磨。检查方法是在发动机怠速运行时观察挺柱是否随凸轮旋转而转动，若挺柱不转，应检查挺柱底面球面是否完好，必要时更换挺柱。
3. 推杆的故障诊断与维护
（1）推杆的常见故障为弯曲变形、两端球头磨损和推杆断裂。推杆弯曲会导致气门升程不足，功率下降，同时还可能造成推杆与推杆孔壁摩擦，产生异常磨损。检查推杆弯曲应将推杆放在V形铁上用百分表测量，弯曲量超过0.05mm应校正或更换。
（2）两端球头磨损后，与挺柱或摇臂的接触间隙增大，产生敲击声（在气门室盖处可听到清脆的“嗒嗒”声，频率与发动机转速同步），且球头磨损后可能从挺柱凹座或摇臂调节螺钉中脱出，导致气门完全失控。检查球头磨损可用样板或目视对比，球头表面出现明显磨平或剥落时应更换推杆。
（3）推杆断裂是最严重的故障，会导致该缸气门完全失控，发动机工作严重不稳，立即产生明显的缺缸现象（怠速抖动加剧、加速无力、排气管周期性“放炮”），应立即停机更换。推杆断裂的原因通常为气门卡死、挺柱卡滞或推杆本身存在裂纹缺陷。更换推杆时应同时检查该缸的气门和挺柱状态。
（4）推杆空心管内部不应进入机油以外的杂质，若发现推杆内腔有积碳或异物，应彻底清洁后再安装。安装推杆时，应确保推杆两端球头正确卡入挺柱凹座和摇臂调节螺钉的球窝中，不得歪斜。安装后手动盘车，观察推杆在运动中不应与推杆孔壁发生干涉。
4. 摇臂组的故障诊断与维护
（1）摇臂组的常见故障为摇臂衬套磨损（导致摇臂与摇臂轴间隙增大）、调节螺钉松动（导致气门间隙变化）和摇臂断裂。摇臂与摇臂轴的配合间隙通常为0.02～0.05mm，若间隙超过0.08mm应更换衬套或摇臂。间隙过大时，摇臂在轴上晃动，使气门升程不稳定，产生异响（在气门室盖处听到松散的“咔嗒”声）。
（2）调节螺钉锁紧螺母在运行中可能因振动而松动，导致气门间隙变化。若间隙变大，气门开度减小，功率下降，且产生清脆的敲击声；若间隙变小甚至消失，气门关闭不严，压缩压力下降，严重时烧蚀气门。应定期检查并重新紧固（锁紧力矩通常为20～30N·m）。调整气门间隙时，必须在发动机冷态下进行，使用塞尺测量气门杆端部与摇臂调节螺钉之间的间隙，调整至规定值后锁紧螺母，再复核一次。
（3）摇臂断裂会导致该缸气门无法开启或关闭，发动机严重工作不良，应立即更换。摇臂断裂的原因通常为材料缺陷、疲劳裂纹或长期过载。更换摇臂时应同时检查摇臂轴是否弯曲（跳动超过0.02mm应更换），并更换摇臂衬套。
（4）摇臂轴的润滑至关重要。摇臂轴内孔有油道与缸盖主油道相通，若油道堵塞，会导致摇臂衬套和摇臂球头缺油，产生异常磨损和噪声。检查摇臂轴的油孔是否畅通，可用压缩空气吹通。摇臂轴的轴向固定应可靠，若摇臂轴发生轴向窜动，会改变摇臂与气门和推杆的相对位置，影响配气精度。
（5）配气机构的定时检查与调整应在发动机大修或每运行2000～3000小时进行。检查内容包括：凸轮轴正时齿轮标记是否对准、凸轮升程是否在标准范围内、气门间隙是否符合规定、摇臂与推杆的接触状态是否良好、各运动副的润滑是否充分等。发现异常应及时调整或更换相关零件。
5. 气门传动组综合维护建议
（1）定期检查机油压力和机油滤清器的清洁度，保证配气机构的良好润滑。机油压力不足会导致凸轮轴和摇臂轴供油不足，加速磨损。建议每运行250小时更换机油和机油滤清器。
（2）在发动机大修或更换凸轮轴后，必须进行充分的磨合运行（通常50小时以内按额定功率的50%～80%加载），使凸轮与挺柱的接触面获得良好的初期磨合。磨合后应更换机油，清除磨合产生的金属碎屑。
（3）建议每运行1000小时或每年进行一次气门间隙检查和调整，防止因气门间隙变化引起的功率下降和异响。对于采用液压挺柱的发动机，气门间隙自动调整，但仍需定期检查液压挺柱的工作状态（检查挺柱是否变硬或泄油）。
（4）在维修中更换推杆、摇臂等零件时，应使用原厂或经认证的配件，确保质量和尺寸精度。安装前应检查新零件的尺寸和表面质量，确认无缺陷后方可安装。
（5）装配凸轮轴正时齿轮时，应将各齿轮上的正时标记对准，安装后手动盘车两圈以上，确认配气相位正确，活塞与气门无干涉，且各传动部件运转正常。
结语
柴油发电机组配气机构的气门传动组是保证发动机正常“呼吸”的关键部件系统，由凸轮轴、挺柱、推杆和摇臂组等零件组成。凸轮轴作为配气机构的核心，其凸轮轮廓形状分为圆弧凸轮和函数凸轮两大类，直接影响气门的开启规律和配气机构的动力性能；凸轮轴通过正时齿轮由曲轴驱动（转速比2:1），装配时必须对准正时标记，轴向定位方式包括轴承盖定位、止推板定位和推力螺钉定位三种。挺柱分为整体式、滚轮式和滚轮臂式三种结构，其中滚轮式挺柱适用于大型柴油机以减少凸轮磨损；推杆将挺柱的推力传递给摇臂，其弯曲变形是常见故障之一；摇臂作为双臂杠杆（传动比1.8～2.2），将推杆的向上运动转化为向下运动驱动气门开启。在维护中，应重点检查凸轮磨损量（超过0.20mm需更换）、挺柱与挺柱孔的配合间隙（0.02～0.06mm）、推杆直线度（超过0.05mm需校正或更换）以及摇臂衬套的磨损情况（间隙超过0.08mm需更换）。气门传动组的常见故障涵盖凸轮轴磨损与弯曲、挺柱底面磨损与滚轮卡滞、推杆弯曲与断裂、摇臂衬套磨损与调节螺钉松动等，每种故障均有其典型的现象特征和诊断方法。掌握这些零件的结构原理与常见故障，可有效指导配气机构的检修和维护，确保柴油发电机组的长期可靠运行。
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