3配气机构

第三章 配气机构

配气机构的功用及组成 配气定时及气门间隙 气门组 气门传动组

一、配气机构功用及组成

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 使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入 气缸，废气得以从气缸及时排除

二、充气效率

充气效率ηv= M/ Mo

M：在进气行程中实际进入气缸内新气质 量 Mo：在进气系统进口状态下，充满 气缸工作容积的新气质量

ηv 减

对充气效率的分析 提高ηv方法

少进气和排气阻力 进排气门的开启时刻和持续开启时间适当

三、组成

•气门组 •气门传动组

气门 弹簧 气门 导管

摇臂 推杆

气门与 气门座

凸轮 轴

挺柱

四、配气机构类型

气门 布置形式 凸轮轴 布置位置 气门顶置式 气门侧置式 凸轮轴下置式 凸轮轴中置式 凸轮轴上置式 齿轮传动式 链传动式 齿形带传动式

凸轮轴 传动方式

气门驱动 形式

摇臂驱动式 摆臂驱动式 直接驱动式 两气门式

多气门式 3气门 4气门 5气门

每缸气门 数及其排 列方式

摇臂

气门顶置

摇臂

推杆

挺柱

挺柱 凸轮轴 下置 凸轮轴 中置

气门 顶置

摇臂 驱动

液力 挺柱

气门 顶置

摇臂 驱动

单上置凸轮 轴(SOHC)

Single

Overhead

Camshaft

摆臂 支座

凸轮轴上置 摆臂 驱动 气

门 间 隙 调 整 块 气门 顶置

摆臂 支座

摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动 式刚度更好，更有利于高速发动机

凸轮轴 上置

直接 驱动

气门 顶置

挺柱体

单凸轮轴上置直接驱动

凸轮轴 正时齿 轮 张紧轮 曲轴正 时齿轮 机油泵 正时齿 轮 喷油泵 正时齿轮 中间 链轮 导链板

凸轮轴 正时链 轮

齿轮 传动

曲轴正 时链轮

链传动

凸轮轴正 时齿形带 轮

张紧 轮

水泵传 动齿形 带轮

齿形 带传 动

中间 轮 曲轴正 时齿形 带轮

双凸轮轴 上置直接 驱动气门

5气门 配气机 构

4气门 配气机 构

凸轮轴直接驱动特点

凸轮通过吊杯形机械挺柱驱动气门； 或通过吊杯形液力挺柱驱动气门。与上 述各种形式的配气机构相比，直接驱动 式配气机构的刚度最大，驱动气门的能 量损失最小。因此，在高度强化的轿车 发动机上得到广泛的应用。如奥迪、捷 达、桑塔纳、马自达6、欧宝V6、奔弛 320E，还有依维柯8140.01、8140.21等均 为直接驱动式配气机构。

五、配气机构工作过程

一、配气定时（配气相位） 用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻及其开启的 持续时间。 1.进气门的配气相位 ➣进气提前角（α）：从进气门开启 到上止点所对应的曲轴转角。一般α＝ 0～30°。 ➣进气迟后角（β）：从下止点到进 气门关闭所对应的曲轴转角。一般β＝ 30

～80°。 进气持续角＝α＋180°＋β

§3.2 配气定时及气门间隙

2.排气门的配气相位 ➣排气提前角（γ）：从排气门开启 到下止点所对应的曲轴转角。一般γ＝ 40～80°。 ➣排气迟后角（δ）：从上止点到排 气门关闭所对应的曲轴转角。一般δ＝ 0～30°。 排气持续角＝γ＋180°＋δ 3.气门的叠开 ➣气门叠开：进、排气门同时开启的 现象。 ➣气门叠开角：从叠开的曲轴转角 α＋δ。

动 画 演 示

三、气门间隙 ➣气门间隙：发动机在冷态下，当气门处于关闭状态 时，气门与传动间之间的间隙。 气门间隙的作用为保证气门关闭严密。

3.3 气门组

气门 锁片 气门 弹簧 气门 导管 进气 门座 进气门

上气 门弹 簧座

气门 油封

排气 门座

排气门

气门组实物图

1. 气门组组成及要求 组成： 气门、气门座、气门导管、气门弹簧， 有的进气门还设有气门旋转机构 要求： • 气门头部与气门座贴合严密 • 气门导管与气门杆导向良好 • 气门弹簧两端与气门杆的中心垂直 • 气门弹簧的弹力足够

2. 气门

气 门 顶 面

气门 锥面

气门 锁夹槽

气 门 尾 端 面

气门 锥角

(1) 气门的工作条件及材料 •气门材料 •气门工作条件

气门工作温度很高 (进气门:300~400℃ ) (排气门:600~800℃ ) 承受气缸压力、弹 簧力、传动组零件 惯性力 冷却和润滑条件差、 易受腐蚀 足够的强度刚度、 耐热、耐磨能力 进气门：合金钢 (铬钢或镍铬钢) 排气门：耐热合金钢 (硅铬钢)。有的： 头部：耐热合金钢 杆部：铬钢

(2) 气门构造 气门由头部和杆部两部分组成 气门顶面

平顶

凹顶

凸顶

 三种气门顶面的形状比较

平顶 凹顶 凸顶 头部与杆部有较大 结构简单、 头部刚度大， 的过渡圆弧，可以 制造方便、 排气阻力小； 特 减小进气阻力；头 受热面积小、 但受热面积大， 部弹性较大，能较 点 质量小；目 质量大，加工 好适应气门座圈的 前应用最多 较复杂 变形 适用于 应 进排气门均 适用于进气门，不 用 可用 宜用于排气门 排气门

进排气门大小

气门锥面

气门锥角：气门锥面与气门顶面之间 的夹角。一般为45º ，少数进气门为30º

进气门大小锥角比较

较小气门锥角 气门通过断面较大， 进气阻力较小，可以 特 增加进气量。但气门 点 头部边缘较薄，刚度 较差，致使密封性变 差。 较大气门锥角 可提高气门头部边缘的 刚度，气门落座时有较 好的自动对中作用及较 大的接触压力。有利于 密封与传热及挤掉密封 锥面上的积炭。

气门杆 •作用： 对气门导向和散热 •要求： 有较高的加工精度 有较低的表面粗糙度 与气门导管保持较小的配合间隙

气

门传热

气门密封锥 面必须严密 贴合：研磨 气门与气门 座圈； 气门杆与气 门导管配合 间隙小：减 少热阻。

气门尾端 •气门弹簧座的固定方式

气门 锁夹

圆柱销

气缸盖

气门 导管

特殊气门 •中空气门杆气门

镶装 硬合 金

减轻气门质量 减小气门运动惯性力 应用某些高度强化发动机

充钠

•充钠排气门

冷却效果明显 应用某些风冷和轿车发动机 钠熔点：97.8 ℃ 沸点：880 ℃

镶装 硬合 金



•进气门比排气门大 •减小进气阻力 •增大进气量



两气门

(3) 每缸气门数

•2个进气门，1个排 气门 排气门比进气 门大 •进气量有明显增加 •火花塞很难布置在 中央对燃烧不利

3气门



4和5气门

• 现代高性能 汽车发动机普 遍采用每缸三、 四、五个气门。 • 其中尤以四 气门发动机为 数最多

4气门 5气门 进排气充分,发动机 转矩和功率提高; 能明显增加进气量, 气门质量减轻,运动 比4气门还优越 优 惯性力减小,有利提高 3 个进气门和 2 个排 点 转速; 气门，排气门比进气 火花塞布置在燃烧 门大 室中央,有利于燃烧 结构非常复杂, 增 缺 发动机零件数量增 加了燃烧室表面积, 点 多,制造成本增加 对燃烧不利

3. 气门座与气门座圈 (1)气门座的功用 与气门配合对气缸起密封作用 接受气门传来的热量进行散热 (2) 气门座的工作条件及材料 材料 工作条件

•工作温度很高 •承受频率极高 的冲击载荷 •容易磨损

•气门座圈(铝气缸盖和多数 铸铁缸盖)：合金铸铁、粉末 冶金、奥氏体钢 •部分铸铁缸盖不镶气门座圈

(3) 气门座圈

(4) 气门座(圈)锥角

4. 气门导管

(1)气门导管的功用 对气门的运动导向，保证气门作直线 往复运动 使气门和气门座能正确贴合 将气门杆接受的热量部分传给气缸盖

(2) 气门导管的工作条件及材料 工作条件 •工作温度较高 •润滑条件较差 (靠配气机构飞 溅机油润滑) •容易磨损

材料 •灰铸铁 •球墨铸铁 •铁基粉末冶金

(3) 气门导管结构 有

的 排 气 导 管 设 排 渣 槽

有 的 导 管 有 卡 环 槽

•过盈配合 •有的发动 机不设气 门导管

•卡环槽防 松落 •排渣槽清 除沉积物和 积炭

5. 气门油封

(1)气门油封的功用 气门杆与气门导管孔需要润滑，机油 又不能太多，否则机油消耗量增加 为了控制和减少机油消耗量，现代汽 车发动机装有气门油封

(3) 气门油封的工作

6. 气门弹簧 (1)气门弹簧的功用 保证气门关闭时能紧密地与气门 座贴合 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

(2) 气门弹簧的工作条件及材料 工作条件及要求

•承受

交变载荷 •为保证其可靠的工作， 应具有合适的刚度和足 够的抗疲劳强度 •避免弹簧锈蚀 •两端面必须磨光并与 轴线垂直

材料

•优质冷拔弹簧钢 丝如高碳锰钢、 铬钒钢等并经热 处理 •钢丝表面抛光处 理 •表面镀锌、磷化

(3) 气门弹簧结构

等螺 距圆 柱形 螺旋 弹簧

变螺距 气门弹簧

锥形 气门弹簧

等螺距圆柱形螺旋弹簧：会发生共振 防止共振发生，采取如下结构措施： •变螺距气门弹簧 螺距小端向缸盖顶面 •锥形气门弹簧 弹簧大端向缸盖顶面 •双气门弹簧 弹簧旋向相反 •气门弹簧振动阻尼器

双气门 弹簧

气门弹簧 振动阻尼 器

(4) 气门弹簧的工作

7. 气门旋转机构 (1)功用 气门缓慢的旋转运动，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 气门旋转时，在密封锥面上产生轻 微的摩擦力，能清除锥面沉积物 使气门磨损均匀

(2) 气门旋转机构

气门 锁夹 锥形 套筒

弹簧 座

钢球及 复位弹 簧

强制旋 转机构

蝶形 弹簧

旋转 机构 壳体

低摩擦自 由旋转机 构

弹簧 座

3.4气门传动组

摇臂轴 摇臂 凸轮轴 推杆 凸轮轴正 时齿轮 挺柱

1. 凸轮轴 (1)凸轮轴的功用 配置有各缸进、排气凸轮，使气门按 一定的工作次序和配气相位及时开闭。 (2) 凸轮轴的工作条件及材料 工作条件 材料

•承受周期性 的冲击载荷 •表面磨损比 较严重 •要求表面耐磨，足够韧性刚度 •由优质碳钢或合金钢锻造， •用合金铸铁或球墨铸铁铸造 •凸轮表面经热处理后磨光

(3) 凸轮轴结构

4缸机 凸轮轴 凸轮轴 油封 半圆 键

凸轮轴正 时齿形带 轮

6缸机 凸轮轴

进气 凸轮

排气 凸轮

分电器 驱动齿 轮

键 槽

轴 颈

偏心轮

进气 凸轮 轴

双上置 凸轮轴

排气 凸轮 轴

r0:实际基圆半径 控制进排气门开闭时刻、 r´0:理论基圆半径 AB/DE:缓冲段， 持续时间及开闭的速度 气门运动速度小， 防止强烈冲击 消 除气门间隙 BCD:工作段 挺柱:A点开始升起 ，E点停止运动 气门:最迟在B点开 始升起，最早在D 点完全关闭

凸轮轮廓

低速发动机 圆弧凸轮 高速采用函数凸轮

同名凸轮的相对位置 有 关

凸轮轴的旋转方向 发动机点火顺序 气缸数 作功间隔角

四缸机: 发火顺序 1-3-4-2 作功间隔角 180º 曲 轴转角（90º 凸轮 轴转角） 同名凸轮夹角 90º 六缸机: 发火顺序 1-5-3-62-4 作功间隔角 120º 曲 轴转角（60º 凸轮 轴转角） 同名凸轮夹角 60º

各进气凸轮 或 各排气凸轮 叫同名凸轮

异名凸轮的相对位置 (同一气缸的进、排气凸轮的相对位置) 凸轮轴的旋转方向 决定于 配气定时 (4)凸轮轴轴承

中置式和下置式凸轮轴 整体式轴承

类型 上置式凸轮轴 剖分式轴承(轴瓦) 在低碳钢钢背上浇敷减磨合金层 材料 粉末冶金衬套或青铜衬套

(5)凸轮轴传动机构 3种类型

齿轮传 动机构

适用于中置式和下置式凸轮轴 定时齿轮 圆柱螺旋齿轮 曲轴定时齿轮 中碳钢 凸轮轴定时齿轮 铸铁或夹布胶木 啮合平顺、噪声低、磨损小 适用于中置式和上置式凸轮轴 链条 滚子链 装有导链板、张紧器和张紧轮 保持一定张紧度 不产生振动噪声

链传 动机构

适用于上置式凸轮轴 轿车发动机多采用 伸长量小 适合精确定时传动 优点 噪声小、质量轻、成本低、 齿形带 工作可靠、不需要润滑 传动机构 齿形带 氯丁橡胶 齿形带轮 钢或铁基粉末冶金 不能与水和机油接触 容易跳齿 保持一定张紧力 张紧轮和张紧器

凸轮轴 正时齿 轮

凸轮轴 正时链 轮

曲轴正 时齿轮

定时 记号

齿轮 传动

曲轴正 时链轮

链传动

柴油机为驱动喷油泵，增加一个中间齿轮

凸轮轴正 时齿形带 轮

定时 记号

曲轴正 时齿形 带轮

齿形 带传 动

轴向定位

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。凸轮轴轴向移动量过大，对于由 螺旋齿轮传动的凸轮轴，会影响配气定时。上 置式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。

（6）凸轮轴工作

2. 挺柱 (1)挺柱的功用 是凸轮的从动件，将来自凸轮的运动 和作用力传给推杆或气门。承受凸轮侧 向力，传给气缸体或气缸盖。 (2) 挺柱的工作条件及材料 工作条件 材料

•摩擦和磨损 都相当严重 •承受凸轮侧 向力而偏磨 •挺柱工作面应耐磨损并得到良 好润滑 •碳钢 合金钢 镍铬合金铸铁和 冷激合金铸铁

(3) 机械挺柱

机械挺柱的结构形式

菌形 平面 挺柱 滚子 挺柱 杯形 平面 挺柱 听子形 平面挺柱

吊杯形 平面挺柱

减轻挺柱底面磨损的结构措施

挺柱底面 为球面 镶嵌耐磨 金属块

挺柱轴线偏离凸轮 的对称轴线 摩擦 力使挺柱绕自身轴 线旋转

凸轮工作面为锥角很 小的锥面 虽轴线重 合 单接触点偏离挺 柱轴线

(4) 液压挺柱

结构

推 杆 支 座 柱

塞 内油 腔 单向 阀 滚子 液压 挺柱

平面 液压 挺柱

高压腔

液压挺柱工作过程

特点: •零气门间隙 •结构复杂 •加工精度高 •磨损后无法 调整，只能 更换

桑塔纳发动机液压挺柱工作示意图

单向阀

弹簧被压缩

气门关闭时

气门打开时

3. 推杆 (1)推杆的功用 处于挺柱与摇臂之

间，将挺柱传来的 运动和作用力传给摇臂。 (2) 推杆的工作条件及材料 工作条件 材料

•凸轮轴下置 •细长杆 •传递力大 •极易弯曲 •较好的纵向稳定性和较大刚度 •一般用无缝钢管 •中碳钢制成实心推杆 •锻铝或硬铝制造推杆

(3) 推杆结构

中碳钢制成 实心推杆 无缝钢管，两 端焊上球头和 球座

•对机体和缸 盖都用铝合金 的发动机 •宜用锻铝或 硬铝制造推杆， •两端压入钢 制球头和球座， •使材料膨胀 系数相同

4. 摇臂 (1)摇臂的功用 将推杆或凸轮传来的运动和作用力， 改变方向传给气门使其开启。 (2) 摇臂的工作条件及材料 工作条件 材料

•承受很大弯矩 •足够强度 •足够刚度 •较小质量 •锻钢 •铸铁 •铝合金

(3) 摇臂结构

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

气门间隙 调整螺钉 缩紧 螺母

摇臂 衬套

摇臂(与液压 挺柱联用)无 调整间隙螺 钉 摇臂支 点球座

(4) 摇臂工作

摆臂 支座

凸轮轴上置 摆臂 驱动 气

门 间 隙 调 整 块 气门 顶置

摆臂 支座

摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动 式刚度更好，更有利于高速发动机

摆臂 驱动 气 摆臂的功用与摇臂相同。两者的区别只在 门 于摆臂是单臂杠杆，其支点在摆臂的一端。 间 在许多轿车发动机上用气门间隙自动补偿 隙 器代替摆臂支座实现零气门间隙。气门间隙自 调 动补偿器无论是结构或是工作原理都与液力挺 柱相同，之所以不称其为液力挺柱，是因为它 整 不是凸轮的从动件，仅仅是摆臂的一个支承而 块 已。因此，它既是摆臂的支座又是补偿气门间 气门 隙变化的装置。 顶置

摆臂 支座

摆臂