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新聞主題 |
柴油發(fā)電機凸輪軸、挺桿、推桿、搖臂及氣門(mén)組件結構 |
摘要：配氣機構按柴油發(fā)電機的工作循環(huán)和著(zhù)火順序，定時(shí)地開(kāi)啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)排氣門(mén)，保證新鮮空氣適時(shí)充入氣缸，并將燃燒后的廢氣及時(shí)排除。其零件依據各自功用可分為兩組：以氣門(mén)為主要零件的氣門(mén)組和以凸輪軸為主要零件的氣門(mén)傳動(dòng)組。氣門(mén)組包括氣門(mén)、氣門(mén)座、氣門(mén)導管、氣門(mén)彈簧、彈簧座及鎖緊裝置等零件。
一、凸輪軸總成
氣門(mén)傳動(dòng)組由凸輪軸、正時(shí)齒輪、挺柱、推桿、搖臂和搖臂軸等零件構成。其作用是按照規定時(shí)刻（配氣定時(shí)）和次序（發(fā)滅次序）打開(kāi)和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén)，并保證一定的開(kāi)度。
在發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，驅動(dòng)和控制各缸氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉（如圖1所示），使其符合發(fā)動(dòng)機的工作順序、配氣相位和氣門(mén)開(kāi)度的變化規律等要求。
1、凸輪軸
（1）工作條件： 承受氣門(mén)間歇性開(kāi)啟的沖擊載荷。
（2）材料： 一般由鑄鋼或鍛鋼制成，凸輪及軸承表面經(jīng)高頻淬火或滲碳淬火等硬化處理。
（3）結構：凸輪軸總成包括凸輪軸、凸輪軸軸承，以及凸輪軸正時(shí)齒輪、正時(shí)鏈條或傳動(dòng)帶（根據情況）。
2、凸輪
凸輪軸上的凸輪有多種設計。凸輪的輪廓應保證氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)刻和持續時(shí)間符合配氣相位的要求，并使氣門(mén)有合適的升程（決定氣門(mén)通道面積）及升程過(guò)程的規律。
同一氣缸的進(jìn)排氣凸輪的相對角位置要符合配氣相位的要求。 而發(fā)動(dòng)機不同氣缸的同名凸輪的相對角位置應符合發(fā)動(dòng)機各氣缸的點(diǎn)火次序和點(diǎn)火間隔時(shí)間的要求。 因此，根據凸輪軸的旋轉方向以及各進(jìn)氣（或排氣）凸輪的排列（如圖2所示），就可以判斷出發(fā)動(dòng)機的工作順序。
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圖1 凸輪軸開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)間和旋轉方向 |
圖2 發(fā)動(dòng)機同名凸輪位置排列 |
3、凸輪軸軸頸
一般發(fā)動(dòng)機凸輪軸是每隔兩個(gè)氣缸設置一個(gè)軸頸。為了安裝方便，凸輪軸各軸頸直徑是做成從前向后依次減小的。
4、凸輪軸軸承
一般做成襯套壓裝在缸體上的凸輪軸座孔內。
5、凸輪軸與曲軸的正時(shí)
在裝配曲軸和凸輪軸時(shí)，必須將正時(shí)記號對準。 正時(shí)標記沒(méi)有正確對齊，氣門(mén)將無(wú)法在正確的時(shí)刻打開(kāi)和關(guān)閉。
6、凸輪軸的軸向定位
為防止凸輪軸軸向竄動(dòng)，常用的軸向定位方法有止推軸承定位、止推片軸向定位、止推螺釘軸向定位。
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圖3 凸輪軸軸向定位零件分解圖 |
圖4 凸輪軸的軸向定位示意圖 |
二、氣門(mén)挺柱
氣門(mén)挺柱也稱(chēng)挺桿，直接由凸輪軸驅動(dòng)。 功用是將凸輪軸的旋轉運動(dòng)轉變?yōu)橥鶑瓦\動(dòng)，將凸輪的推力傳給推桿或氣門(mén)，以打開(kāi)氣門(mén)，并承受凸輪軸旋轉時(shí)所施加的側向力。 發(fā)動(dòng)機上的挺柱有多種類(lèi)型，包括整體式挺柱、滾輪式挺柱（凸輪隨動(dòng)桿）和液壓挺柱等 。
1、挺柱的分類(lèi)
（1）整體式挺柱
為輕型氣缸設計。主要在較老的發(fā)動(dòng)機或一些高性能的發(fā)動(dòng)機上使用。
（2）滾輪式挺柱
主要用在高壓縮比的發(fā)動(dòng)機上。
整體式挺柱和滾輪式挺柱常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵制造，其摩擦表面應經(jīng)熱處理后精磨；可直接裝在氣缸體上相應處鏜出的導向孔中，也可裝在可拆式的挺柱導向體中。導向體上有安裝記號和定位裝置（如圖5所示），安裝時(shí)應區分前后導向體塊以及保證安裝精度。
2、挺柱偏移
根據經(jīng)驗，平面挺柱工作面最小半徑可取為：
Rmin=（dht/dΦc）+（1.5~2.0）.....................（公式1）
使凸輪沿挺柱曲線(xiàn)方向偏移1～3mm（偏置距離和方向如圖6所示），可使挺柱在工作時(shí)能緩慢旋轉，磨損均勻。挺柱上的球面支座半徑r2應比推桿上的球頭半徑r1大0.1～0.3m，以保證既能在兩者的配合面間形成楔形油膜，又不使接觸應力劇增。挺柱的側面承受凸輪產(chǎn)生的側向力，挺柱導向部分應有足夠長(cháng)度，一般取為挺柱工作面直徑的1.5~2倍。挺村與挺柱孔的配合多為H7/g6。
3、選配測量方式
傳統的挺柱選配測量?jì)x有兩種測量方式，這兩種測量方式主要區別在于缸蓋是否裝在缸體上進(jìn)行測量：一是缸蓋在缸蓋分裝線(xiàn)上完成氣門(mén)等分裝后，設備自動(dòng)測量氣門(mén)間隙，完成挺柱選配工作，裝上挺柱、凸輪軸，然后在裝配大線(xiàn)上裝配缸蓋總成；二是缸蓋分裝完成，用缸蓋螺栓按工藝要求擰緊在缸體上，再通過(guò)在線(xiàn)的挺柱選配測量?jì)x，分別對缸蓋、凸輪軸進(jìn)行測量，完成挺柱選配工作。這兩種方式各有特點(diǎn)：第一種方式結構較簡(jiǎn)單，只對缸蓋進(jìn)行精定位，實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單易行；第二種方式最能體現發(fā)動(dòng)機的最終裝配狀態(tài)，測量數據最有指導意義，但結構較復雜，需要發(fā)動(dòng)機有精定位，且需要對整個(gè)系統的尺寸鏈進(jìn)行計算，看是否滿(mǎn)足設備的測量要求。
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圖5 挺柱安裝定位裝置示意圖 |
圖6 柴油機挺柱與凸輪偏置 |
三、氣門(mén)推桿
1、作用
推桿的作用是將挺柱傳遞的凸輪的運動(dòng)傳到頂置氣門(mén)。推桿是配氣機構中剛度最小的環(huán)節，提高其剛度可明顯提高整個(gè)配氣機構的剛度，有時(shí)為提高其剛度而適當加大其質(zhì)量。
2、工作情況
是氣門(mén)機構中最容易彎曲的零件。
3、材料
推桿多用厚壁無(wú)縫鋼管或實(shí)心鋁桿兩端壓人或焊接球頭或球窩而成。球頭（球窩）一般用中碳鋼淬火。在制造上應注意校直推桿，使不直度不大于0.1～0.2mm。
四、搖臂
搖臂的作用是用來(lái)將推桿或凸輪傳來(lái)的力改變方向，作用到氣門(mén)桿端以推開(kāi)氣門(mén)。 搖臂的設計與安裝有多種方式。有些通過(guò)襯套空套在搖臂軸上，而搖臂軸又支承在支座上，搖臂軸為空心管狀結構，機油從支座的油道經(jīng)搖臂軸內腔和搖臂中的油道流向搖臂兩端進(jìn)行潤滑；為防止搖臂的竄動(dòng)，在搖臂軸上每?jì)蓳u臂之間都裝有定位彈簧。
1、下置凸輪軸配氣機構的搖臂
為使搖臂質(zhì)量輕而剛度大，搖臂橫截面通常做成倒丁字形。其靠氣門(mén)一端與氣門(mén)桿端面接觸，沿氣門(mén)桿端面連滾帶滑地移動(dòng)，這不僅使接觸面易于磨損，而且氣門(mén)承受偏心載荷，加重氣門(mén)與氣門(mén)導管的磨損。
搖臂在氣門(mén)桿端面上的接觸點(diǎn)位移為
4x=Ib（cosβ-cosβw）.....................（公式2）
式中，β是氣門(mén)間隙剛消除而氣門(mén)尚未開(kāi)啟時(shí)的搖臂位置角。β是氣門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中任一瞬時(shí)的位置角。當氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，氣門(mén)桿端面高出搖臂軸線(xiàn)的距離Z二（0.35～0.45）氣門(mén)最大升程時(shí)，可以保證接觸點(diǎn)的位移最小，取為20°～25°，可以避免接觸點(diǎn)過(guò)度偏離氣門(mén)中心線(xiàn)。
Ib和lv之間宜符合于或接近于Ib=2lv/（cosβa+cosβw）的關(guān)系（為氣門(mén)最大升程時(shí)的搖臂位置角），以保證接觸點(diǎn)的移動(dòng)范圍對稱(chēng)于氣門(mén)中心線(xiàn)，其中βa是搖臂擺動(dòng)中心O至氣門(mén)中心線(xiàn)的距離。
搖臂的材料多為鍛鋼或可鍛鑄鐵，搖臂氣門(mén)端柱面應淬硬。
2、頂置凸輪軸式配氣機構的搖臂
在頂置凸輪軸式配氣機構中，凸輪與搖臂間接觸面的磨損嚴重，經(jīng)常采用滾輪式搖臂。也可以采用液壓間隙調節器來(lái)消除氣門(mén)間隙。液壓間隙調節器可以作為搖臂的支點(diǎn)，也可以裝在氣門(mén)的上端。
搖臂的材料多為合金鑄鐵，與凸輪的接觸面冷激硬化或重熔硬化。也可用組合式搖臂，在鋁合金搖臂體凸輪端鑄人燒結合金塊或氨化硅基陶瓷塊。
五、氣門(mén)組件
氣門(mén)組件包括氣門(mén)、氣門(mén)導管、氣門(mén)油封、氣門(mén)座及氣門(mén)彈簧等，如圖7所示。有的進(jìn)氣門(mén)還設有氣門(mén)旋轉機構。 氣門(mén)組應保證氣門(mén)能夠實(shí)現氣缸的密封。
1、氣門(mén)
氣門(mén)頭部與氣門(mén)座接觸并起密封作用的錐面與氣門(mén)頂平面的夾角。 氣門(mén)錐角大小對氣門(mén)和進(jìn)排氣過(guò)程有很重要的影響。大多數發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣門(mén)錐角做成30º，而排氣門(mén)考慮到受熱溫度高，多做成45º。也有的發(fā)動(dòng)機進(jìn)排氣門(mén)錐角都為45º，如圖8所示。
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圖7 氣門(mén)組件零件圖 |
圖8 柴油機氣門(mén)錐角標注圖 |
2、導管
（1）作用： 為氣門(mén)的運動(dòng)導向，保證氣門(mén)直線(xiàn)運動(dòng)兼起導熱作用。
（2）工作條件： 工作溫度較高，潤滑困難，易磨損。
（3）材料： 用含石墨較多的鑄鐵，能提高自潤滑作用。
（4）加工方法： 外表面加工精度較高，內表面精絞。
（5）裝配： 氣門(mén)桿與氣門(mén)導管間隙應保證0.05～0.12mm。
3、氣門(mén)油封
氣門(mén)油封使機油從氣門(mén)桿上脫開(kāi)，并防止機油在氣門(mén)導管的頂部聚積。有主動(dòng)式油封和被動(dòng)式油封兩種，如圖9、圖10所示。
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圖9 被動(dòng)式油封 |
圖10 主動(dòng)式油封 |
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4、氣門(mén)座
氣門(mén)座指氣缸蓋（或氣缸體）的進(jìn)、排氣道口與氣門(mén)密封錐面直接貼合的部位 。 其作用是靠其內錐面與氣門(mén)錐面的緊密貼合密封氣缸，接受氣門(mén)傳來(lái)的熱量。 類(lèi)型分為一體式和鑲嵌式兩種。
（1）氣門(mén)座錐角
氣門(mén)座錐角與氣門(mén)錐角應相適應，由三部分組成：
——45º（或30º）錐面，與氣門(mén)密封錐面貼合。
——15º和75º錐角（國外多用30º和60º錐角），用來(lái)修正工作 錐面的寬度和上下位置 。
——結合面的寬度b為1mm—3mm。
（2）氣門(mén)密封干涉角
比氣門(mén)錐角大0.5~1度的氣門(mén)座圈錐角，如圖11所示。 干涉角的存在使氣門(mén)在落座時(shí)能夠切開(kāi)氣門(mén)座上的沉積物，而且還能產(chǎn)生更好的機械密封性；也有利于在走合期加速磨合，走合期結束，干涉角逐漸消失，形成良好的全錐面接觸。
（3）氣門(mén)座定位
• 氣門(mén)座部位可以被抬高或降低，這是通過(guò)切除或磨削氣門(mén)座的上部或下部來(lái)實(shí)現的。
• 通過(guò)定位氣門(mén)座，如圖12所示。氣門(mén)的位置也可以根據需要進(jìn)行抬高或降低。
注意：在氣門(mén)座被正確定位后，一定要確認氣門(mén)座具有正確的寬度。
• 氣門(mén)座的寬度可以用一個(gè)小的氣門(mén)座尺進(jìn)行測量，如果寬度不正確或不符合規范，必須將氣門(mén)座重新研磨到正確的寬度，同時(shí)還要確認氣門(mén)座的定位是正確的。
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圖11 氣門(mén)密封干涉角示意圖 |
圖12 氣門(mén)座定位示意圖 |
5、氣門(mén)彈簧
（1）作用：
• 在氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，保證氣門(mén)及時(shí)關(guān)閉并緊緊與氣門(mén)座貼合。
• 防止氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機振動(dòng)時(shí)發(fā)生跳動(dòng)而破壞其密封性。
• 在氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)，保證氣門(mén)不因運動(dòng)慣性而脫離凸輪。
（2）材料：
• 高碳錳鋼，鉻釩鋼等冷撥鋼絲。
（3）氣門(mén)彈簧的裝配
氣門(mén)彈簧的一端支承在氣 缸蓋或氣缸體上，另一端 壓靠在氣門(mén)桿端的彈簧座 上。彈簧座用鎖片或鎖銷(xiāo)固定在氣門(mén)桿的末端。如圖13所示。
6、氣門(mén)旋轉裝置
氣門(mén)旋轉裝置（如圖14所示）使氣門(mén)在工作過(guò)程中相對氣門(mén)座緩慢旋轉。氣門(mén)頭部溫度均勻，可防止局部過(guò)熱引起的變形和清除氣門(mén)座積炭。
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圖13 氣門(mén)彈簧示意圖 |
圖14 氣門(mén)旋轉裝置示意圖 |
總結 ：
目前應用較廣的是頂置式配氣機構，其裝在氣缸蓋上，除側置式機構的組成外，還包括搖桿、搖臂等零件。優(yōu)點(diǎn)是可形成較緊湊的燃燒室，減少進(jìn)、排氣阻力，氣門(mén)間隙調節方便，不需要增設氣門(mén)開(kāi)啟的空隙，且燃燒室較小，熱損失很少，保證在壓縮比很高的情況下，氣缸的高度可以適當降低，減小了發(fā)動(dòng)機的體積。但是，頂置式配氣機構的結構較為復雜。
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