3．3 配气机构的主要零部件
配气机构通常由气门组和气门传动组两部分组成。气门组包括进、排气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、锁片及气门座圈等。气门传动组主要包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂等。
气门组件的作用是实现对气缸的可靠密封，工作中要求：
（1）气门头部与气门座贴合严密；
（2）气门导管对气门杆的往复运动导向良好；
（3）气门弹簧两端面与气门杆中心线相互垂直，以保证气门头部在气门座上不偏斜；
（4）气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能迅速关闭，并能保证气门关闭时的密封性。
3．3．1 气门组
气门组的基本组成以及各零件间的装配关系如图3－14所示。
1．气门
（1）气门的工作条件。气门的工作条件非常恶劣。首先气门直接与高温燃气接触，受热严重，而且散热困难，因此气门温度很高。排气门最高温度可达600～800℃，进气门由于受到新气的冷却，温度稍低，约为300～400℃。其次气门承受气体作用力和气门弹簧力的作用，以及配气机构运动件的惯性力使气门落座时受到冲击。再次，气门在润滑条件很差的条件下以极高的速度启闭并在气门导管内作高速往复运动。此外，气门由于与高温燃气中有腐蚀性的气体接触而受到腐蚀。
图3－14 气门组的基本组成
1－气门锁片 2－气门弹簧座 3－气门弹簧 4－气门油封 5－气门弹簧垫 6－气门导管
7－气门 8－气门座 9－气缸盖 10－气门油封
（2）气门材料。根据气门的工作条件，要求气门材料应具有下列特性：
①耐热，具有良好的导热性。
②在高温下仍能保持足够的硬度和强度，并耐冲击。
③耐磨损、耐腐蚀。
进气门一般用中碳合金钢制造，如铬钢、铬钼钢等。排气门采用耐热合金钢制造，如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。
为了节省耐热合金钢，有的排气门头部用耐热合金钢，而杆部用普通合金钢制造，然后将两者对焊在一起。还有在排气门的气门锥面上堆焊或喷涂一层钨钴合金，以提高其硬度、耐磨、耐热性，从而延长气门寿命。
（3）气门构造。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身两部分构成，其结构和各部分名称如图3－15所示。
①气门头部。气门头部的形状有凸顶、平顶、凹顶等形状（图3－16）。
A．凸顶〔图3－16（a）〕：头部强度大，用作排气门时排气阻力小，但受热面积大，质量大，加工也较为复杂。
B．平顶〔图3－16（b）〕：其结构简单，受热面积小，便于制造；进、排气门都可以采用，目前应用得最多。
C．凹顶〔图3－16（c）〕：头部与气门杆部的过渡曲线呈流线形，进气阻力小，适合用于进气门；而且凹顶气门有较大的弹性，能较好地适应气门座圈的变形。凹顶受热面积大，不宜用作排气门。
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
图3－15 气门的构造
1－气门密封锥面 2－气门杆 3－气门杆端面 4－气门顶
图3－16 气门头部的形状
锥角（图3－17）。一般气门锥角为45°，在气门升程一定的情况下，减小气门锥角，可以增大气流通道断面，减小进气阻力；但锥角减小会引起气门头部边缘厚度变薄，致使气门的密封性和导热性变差。
图3－17 气门锥角
采用锥形工作面的目的：
（1）能获得较大的气门座合压力，可以提高密封性能和扩大导热面积，因此导热性能也相应提高。
（2）气门座圈对气门起精确定位作用。
（3）在相同气门升程的条件下，气门锥角能使气流通过断面面积增大，进气阻力降低，因此可以提高进气速度和进气量。为保证良好密合，装配前应将气门与气门座二者的密封锥面互相研磨，磨合好的零件不能互换。
气门与气门座密封锥面相接触时形成的环状密封带，称为接触带。它应位于气门密封锥面的中部，其宽度应符合广家的设计要求。
②气门杆部。气门杆部外部呈圆柱形，在气门导管中不断进行上、下往复运动。气门杆部应具有较高的加工精度，保证与气门导管保持正确的配合间隙，以减小磨损和起到良好的导向、散热作用。气门杆尾部的结构取决于气门弹簧座的固定方式，如图3－18所示。常用的结构是：气门杆1尾部加工出的环形槽用来安装剖分成两半的锥形锁片4，再由锥形锁片来固定气门弹簧座3〔图3－18（a）〕；也可以用锁销5来固定气门弹簧座3〔图3－18（b）〕，锁销装配在气门杆尾部对应的径向孔中。
图3－18 弹簧座的固定方式
1－气门杆 2－气门弹簧 3－气门弹簧座 4－锁片 5－锁销
2．气门导管
气门导管的作用是给气门运动导向，以保证气门作上下往复运动时不发生径向摆动，准确落座，与气门座正确贴合；同时起导热作用，将气门杆的热量传给缸盖及水套。管的上端装有骨架式橡胶气门油封。为了防止导管在使用过程中松动脱落，有的发动机在气门导管的中部加装定位卡环，如图3－19所示。
3．气门座
气门座有两种：一种是在气缸盖上直接镗削加工而成；另一种是用合金铸铁或奥氏体钢单独制作成气门座圈，用冷缩法镶入气缸盖中，如图3－20所示。镶入式气门座的导热性差，加工精度要求高，如果镶入时公差配合选择不当，高温下工作时易脱落，容易导致重大机械事故。
4．气门弹簧
气门弹簧的作用是关闭气门，靠弹簧张力使气门压在气门座上，克服气门和气门传动组件所产生的惯性力，防止各传动件彼此分离而不能正常工作。
图3－19 气门导管
气门弹簧一般采用圆柱形螺旋弹簧，如图3－21所示。为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距圆柱弹簧。现代高速发动机多采用同心安装的内、外气门弹簧，这样既提高了气门弹簧工作的可靠性，又能有效地防止共振的发生。安装时，内、外弹簧的螺旋方向相反，以防止共振使气门脱落。
图3－20气门座圈
3．3．2 气门传动组主要零部件
气门传动组主要包括：凸轮轴及其传动机构、挺柱、推杆和摇臂等。
1．凸轮轴
凸轮轴是气门传动组中的主要部件，其作用是控制气门的开闭及其升程。下置凸轮轴式汽油机，还依靠凸轮轴来驱动汽油泵、机油泵和分电器等装置。
（1）凸轮轴的结构。凸轮轴主要由凸轮和轴颈两部分组成。
单根凸轮轴一般将进气凸轮和排气凸轮布置在同一根凸轮轴上，其结构如图3－22所示。双上置凸轮轴配气机构的两根凸轮轴，一根是进气凸轮轴，上面布置有各缸的进气凸轮；另一根是排气凸轮轴，上面分布有各缸的排气凸轮。
气门的开闭时刻及其升程变化规律，主要取决于控制气门的凸轮外部轮廓曲线。凸轮轮廓形状如图3－23所示，O为凸轮旋转中心（也是凸轮轴的轴心），弧E为凸轮的基圆，弧AB和弧DE为过渡段，弧BCD为凸轮的工作段。当凸轮按图中箭头方向转至A时，挺柱不动，气门关闭；凸轮转过A点后，挺柱开始上移，到达B点时，气门间隙消除，气门开始开启，凸轮转到C点时，气门升程（开度）最大，凸轮转到D点时．气门关闭。弧BCD所对应的夹角称做气门开启持续角。
图3－21 气门弹簧
图3－22 单凸轮轴的结构
1、2、3、4－轴承盖 5－螺母 6－半圆键 7－凸轮
凸轮轮廓弧BCD段的形状直接决定了气门的最大升程及其升降过程的运动规律。
凸轮轴上各缸同名凸轮相对位置，与凸轮轴的转动方向、各缸的工作顺序和做功间隔角有关。
捷达EA827型发动机的凸轮轴顺时针转动（从前向后看），工作顺序为1－3－4－2，做功间隔角为720°／4＝180°（曲轴转角），由于曲轴与凸轮轴间的传动比为2∶1，所以，凸轮轴上同名凸轮间的夹角为180°／2＝90°，如图3－24所示。CA6110型柴油机的凸轮轴逆时针转动，工作顺序为1－5－3－6－2－4，做功间隔角为720°／6＝120°（曲轴转角），则同名凸轮间的夹角为120°／2＝60°，同名凸轮位置排列如图3－25所示。
图3－23 凸轮轴轮廓形状
图3－24 4缸发动机同名凸轮位置排列
图3－25 6缸发动机同名凸轮位置排列
同一气缸进、排气（异名）凸轮间的相对位置取决于凸轮轴的转动方向和发动机的配气相位。按照四冲程发动机的工作原理来分析，排气和进气相差一个行程，即曲轴转角180°。反映到凸轮轴上排气凸轮和进气凸轮间的夹角为180°／2＝90°。但由于气门早开晚闭，且进、排气门早开角与晚闭角不等，造成了凸轮间的夹角不再是90°，一般都大于90°。
凸轮轴轴颈用以支承凸轮轴，轴颈数量取决于凸轮轴的支承方式。
①全支承：对应每个气缸间均设有一道轴颈，支承点多，能有效地防止凸轮轴变形对配气相位的影响。
②非全支承：每隔两个或多个气缸设置一个轴颈，工艺简单，成本降低，但支承刚性较差。由于装配方式的不同，轴颈的直径有的相等，有的则从前向后逐级缩小，以便于安装。
凸轮轴一般用优质钢模锻而成，且凸轮和轴颈工作表面需进行高频淬火（中碳钢）或渗碳淬火（低碳钢）处理。近年来，越来越多的凸轮轴改用合金铸铁或球墨铸铁铸造。捷达EA827型发动机采用合金铸铁凸轮轴，凸轮工作表面采用电弧熔工艺，使表层组织形成莱氏体金相结构，精加工后再经盐浴氮化处理，提高了凸轮轴的工作寿命。
（2）凸轮轴的轴向定位。为了防止凸轮轴轴向窜动，一般设有轴向定位装置。CA6110型发动机采用止推凸缘实现轴向定位，其结构形式如图3－26所示。捷达EA827型发动机利用凸轮轴第五轴承盖的两端面实现轴向定位。
图3－26 凸轮轴的轴向定位
1，5－正时齿轮 2，6－止推凸缘 3，8－止推座 4，9－凸轮轴 7－气缸体
2．挺柱
挺柱的作用是将凸轮轴旋转时产生的推动力传给推杆（下、中置凸轮轴）或气门（上置凸轮轴）。挺柱一般用耐磨性好的合金钢或合金铸铁等材料制造。
（1）普通挺柱。常见的挺柱主要有筒形和滚轮式两种，其结构形式如图3－27所示。
通常挺柱底部工作面设计为平面，使两者的接触点偏离挺柱轴线，如图3－28所示。工作中，当挺柱被凸轮顶起时，接触点间的摩擦力使挺柱绕自身轴线旋转，以实现均匀磨损。
图3—27 普通挺柱
图3—28 挺柱与凸轮的偏置
筒形挺柱质量较轻，一般和推杆配合使用。滚轮式挺柱结构较为复杂，但其与凸轮间的摩擦阻力小，适合于中速大功率柴油机。
挺柱可直接安装在气缸体一侧的导向孔中，也可安装在可拆卸的挺柱架中。
（2）液压挺柱。采用预留气门间隙的方法，可以解决气门传动组件受热膨胀可能给气门工作带来的不利影响；但气门间隙的存在，会使配气机构在发动机工作温度较低时，导致气门间隙变大出现撞击而产生噪声。为了消除这一弊端，有些中小型发动机采用了液压挺柱。如一汽捷达EA827型发动机、上海桑塔纳JV发动机均采用液压挺柱。
①液压挺柱的作用。液压挺柱可自动补偿气门间隙，并具有以下优点：
A．取消了调整气门间隙的零件，使结构更简单。
B．不需调整气门间隙，简化了装配后的调整过程。
C．消除了由气门间隙引起的冲击和噪声，减轻了气门传动组件之间的摩擦。
②液压挺柱的构造。如图3－29所示，挺柱体1内装有柱塞4，柱塞4上端压有球座3作为推杆的支承座，同时将柱塞内腔堵住。柱塞弹簧6用来将柱塞经常压向上方，卡簧2用来对柱塞限位。柱塞下端单向阀架5内装有碟形弹簧8，用以关闭单向阀7。
③液压挺柱的工作原理。当气门关闭时，润滑油经挺柱体和柱塞上的油孔压进柱塞腔A内，并推开单向阀充入挺柱体腔B内。柱塞便在挺柱体腔内油压及柱塞弹簧6的作用下上行，与气门推杆压紧，整个配气机构不存在间隙。但此压力远小于气门弹簧的张力，气门不会被打开，只是消除间隙。与此同时，挺柱体腔B内油液已充满，单向阀7在碟形弹簧8的作用下关闭。
当凸轮转到工作面使挺柱上推时，气门弹簧的张力通过推杆作用在柱塞上，使得柱塞不能上移，而单向阀7已关闭，使得挺柱体腔B内的油液使压力升高，由于液体的不可压缩性，挺柱便像一个刚体一样推动气门开启。在此过程中，由于挺柱体腔内油压较高，在柱塞与挺柱体的间隙处将有少许油液泄漏而使“挺柱缩短”，但不致影响正常的工作。当凸轮转到非工作面时，解除了对推杆的推力，使挺柱腔内油压降低，于是，主油道的油压将再次推开单向阀，向挺柱体腔内充油，以补充工作时的泄漏，并且此油压又和弹簧6－起使柱塞上推，使配气机构无间隙地工作。
由此可知，若气门、推杆受热膨胀，挺柱回落后向挺柱体腔内的补油过程便会减少补油量（工作过程中），或使挺柱体腔内的油液从柱塞与挺柱体间隙中泄漏一部分（停车时），从而使挺柱自动“缩短”，从而不留气门间隙而仍能保证气门关闭。相反，若气门、推杆冷缩，则向挺柱体腔内的补油过程便会增加补油量（工作过程中），或在柱塞弹簧作用下将柱塞上推，吸开单向阀向挺柱体腔内补油（停车时），从而使挺柱自动“伸长”，并保持配气机构无间隙传动。
采用液力挺柱可消除配气机构中的间隙，减小各零件的冲击载荷和噪声，同时凸轮轮廓可设计得比较陡些、气门开启和关闭更快，以减小进排气阻力，改善发动机的换气，提高发动机的性能（特别是高速性能）。
一汽捷达EA827型发动机、上海桑塔纳JV的发动机上采用的液力挺柱如图3－12所示。其工作原理与上述液力挺柱基本相同，其结构特点是：
（1）采用倒置的液力挺柱，直接推动气门的开启。
（2）挺柱体是由上盖和圆筒经加工后再用激光焊接成一体的薄壁零件。
（3）单向阀采用钢球、弹簧式结构。
3．推杆
下置凸轮轴配气机构中有细而长的推杆。推杆的作用是将挺柱传来的凸轮推动力传递给摇臂机构。
图3－29 液压挺柱
1－挺柱体 2－卡簧 3－球座 4－柱塞 5－单向阀架 6－柱塞弹簧
7－单向阀 8－蝶形弹簧 A－柱塞腔 B－挺柱体腔
4．摇臂
摇臂的作用是将推杆或凸轮传来的力改变方向后传给气门，使其开启。
摇臂组件主要有：摇臂、摇臂轴、支承座、气门间隙调整螺钉等，如图3－30所示。
图3－30 摇臂组件
1－碗形塞 2－摇臂轴 3－螺栓 4－摇臂轴紧固螺钉 5－摇臂轴前、后支座 6－摇臂衬套
7－摇臂 8－摇臂调整螺钉锁紧螺母 9－调整螺钉 10－摇臂轴中间支座 11－定位弹簧
摇臂是一个以中间轴孔为支点的双臂杠杆，短臂一侧装有气门间隙调整螺钉，长臂一端有一圆弧工作面用来推动气门。为了提高其工作寿命，长臂圆弧工作面需经淬火处理。
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