汽车构造教案
课程名称
汽车构造
课时
2
授课班级
教学方式
讲授
课题
任课教师
教学目
的与要求
1． 了解配气机构的功用及组成;
2． 掌握配气机构的三种传动方式及特点；
3． 掌握液压挺柱的结构及工作原理；
4． 理解充气效率的含义；
5． 熟知配气相位的基本内容；
6． 了解可变式配气机构的工作特点。
重、难点
配气相位
液压挺柱的结构及工作原理；
教学内容
第３章　配气机构
3.1概述
.1配气机构的功用
据发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定时打开和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出,使换气过程最佳，以保证发动机在各种工况下工作时发出最好的性能。
2.四冲程内燃机采用气门式配气机构是由气门组、传动组和驱动组三部分组成，
气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座及锁紧装置等零件；
传动组包括：挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴等零件；
驱动组包括：凸轮轴，凸轮轴轴承和止推装置等。
3.2配气机构的构造
1气门式配气机构的布置形式
一、分类
配气机构的分类可以从以下方面来进行：
（1）按气门的布置型式，主要有气门顶置式和气门侧置式；
（2）按凸轮轴的布置位置，可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式；
（3）按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；
（4）按每缸气门数目，有二气门式、三气门式、四气门式和五气门式。
二、气门的不同机构特点
顶置气门、下置凸轮轴配气机构(OHV)，
如图3—1所示。顶置气门、下置凸轮轴配气机构的凸轮轴或位于气缸体侧部，或位于气缸体上部，或位于v型内燃机气缸体的v型夹角内。结构简单，安装、调整容易，气门所受侧向力很小，工作可靠。
顶置气门、上置凸轮轴配气机构(OHV／OHC)
如图3—2所示。顶置气门、上置凸轮轴配气机构的凸轮轴安装在气缸盖上.它可以直接驱动沿气缸体纵向排成一列的二个气门.也可以通过摇贸或摆杆驱动气门，如图3－2a所示。为了减小气门的侧向力.凸轮轴与气门杆顶部间没有气门导筒或摆杆，如图3－2b所示。
顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴配气机构(OHV／OHC)，如图3－3所示。顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴配气机构是用—个凸轮轴通过进、排气凸轮和两个摇臂分别控制进、排气门。
四气门比二气门能增大功率和扭矩15％，油耗可降低5％。由于气门的相位角和重叠角减小，有害废气排放可减少。如奥迪1.8L四缸汽油机，每缸从二个气门增加为四个气门(二进二排)，进气面积增加30％，排气面积增加50％，功率增大25％。
顶置气门、上置双凸轮轴配气机构(OHV／DOHC)
如图3－4所示。顶置气门、上置双凸轮轴配气机构是放在气缸盖上的两根凸轮轴通过气门导筒或气门调整盘，分别控制气缸盖上两列进气门和排气门(即同名气门是沿气缸体纵向排列)。这种配气机构没有传动环节，其高速性最佳。
对于每缸采用三气门(二个进气门，一个排气门)和五气门(三个进气门和二个排气门)的内燃机，其气门的驱动方式与四气门驱动方式类似
3.2.2配气机构的传动
1.齿轮驱动形式
就是采用齿轮副来驱动凸轮轴。曲轴与凸轮轴的传动比为2：1。即曲轴旋转720o，完成一个工作循环，发动各缸工作一次，对应的凸轮轴旋转360o给各缸近、排气一次。所以凸轮轴正时齿轮的齿数为曲轴正时齿轮齿数的二倍。凸轮轴下置时，一般都采用齿轮副驱动，正时齿轮多用斜齿。
2.链驱动形式
链式驱动，就是指曲轴通过链条来驱动凸轮轴如图3—6所示。这种驱动形式一般多用于凸轮轴上置的远距离传动。奔驰轿车发动机就采用这种驱动方式。但链传动的可靠性和耐久性不如齿轮传动，且噪声较大、造价高，其传动性能的好坏直接取决于链条的制造质量。为使在工作时链条具有一定的张力而不致脱链，通常装有导链板14，张紧轮装置2、11等。
3.齿形皮带驱动
这种驱动方式与链驱动的原理相同。只是链轮改为齿轮，链条改成齿形皮带，如图3—7所示。这种齿形皮带用氯丁橡胶制成，中间夹有玻璃纤维和尼龙织物，以增加强度。齿形皮带驱动弥补了链驱动的缺陷，并降低了成本。
气门顶置式配气机构，目前在汽车上应用最广泛。发动机具有较高的动力性。但气门顶置式与侧置式相比也有其缺点：凸轮轴与曲轴相距较远，使传动机构复杂，气缸盖结构复杂，发动机高度增加。
3.2.3每缸气门数及其排列方式
1.每缸两个气门方式
一般发动机较多的采用每缸两个气门，即一个进气门和一个排气门。这种结构在可能的条件下应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径，以改善气缸的换气。但是，由于燃烧室尺寸的限制，从理论上讲，最大气门直径一般不超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门结构就不能满足发动机对换气的要求。2.每缸四个气门方式
3.每缸五个气门方式
现代轿车发动机设计面临的主要任务是进一步降低燃油消耗和排放污染；提高动力性和改善噪声特性；另外还要降低成本。新型奥迪轿车的V型六缸五气门发动机和捷达EAll3型四缸五气门发动机就采用五气门技术，如图3-9所示。与四气门相比，采用每缸五气门的发动机其气门流通截面更大，充气效率更高。在四气门发动机缸盖和五气门发动机缸盖上，气门可能的最大直径是不相同的。对于四气门缸盖，气门的最大可能直径受火花塞和气门之间棱宽的限制，而对于五气门缸盖则主要受气门自身间棱宽的限制。由于气门和火花塞的间距增大，就有可能在铸件设计时把火花塞座和排气道分开，从而使整个区域的冷却得到显着改善，这就确保五气门发动机尽管气缸充气效率高，而爆燃敏感性却极小。因此每缸采用五个气门，为满足高性能指标要求提供了机会，即可以实现燃油消耗低、扭矩大及排污少，比目前使用的四气门发动机达到的性能指标更好。此外，如果将五气门技术与增压技术相结合，其性能指标的优势将更加明显。
当每缸采用五气门时，气门排列的方案通常是同名气门排成一列，分别用进气凸轮轴和排气凸轮轴驱动。捷达EAll3型发动机的五气门是采用铝合金材料铸造而成的整体式缸盖；燃烧室采用了紧凑浴盆式，火花塞位于燃烧室中心，如图3-9所示。
3.2.4配气相位
配气相位就是用曲轴转角表示的进、排气门的实际开闭时刻和开启的持续时间。用曲轴转角的环形图来表示配气相位，这种图称为配气相位图(如图3-10)。
理论上四冲程发动机的进气门应当在活塞处在上止点时开启，当活塞运动到下止点时关闭；排气门则应当在活塞处于下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占1800曲轴转角。但是实际发动机的曲轴转速都很高，活塞每一行程历时都很短。例如上海桑塔纳轿车发动机，在最大功率时的转速为5600r／rain，一个行程历时仅为0.0054s。这样短时间的进气和排气过程，往往会使发动机充气不足或排气不干净，从而使发动机功率下降。因此，现代发动机都采取延长进、排气时间的方法，即：气门的开启和关闭的时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。
1.进气门的配气相位
如图3-10所示，在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，进气门便开始开启，即曲轴转到活塞处于上止点位置还差一个角度α称为进气提前角。直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到超过活塞下止点位置以后一个角度β时，进气门才关闭，称为进气迟后角。进气提前角，一般为10o~30o，进气迟后角，一般为40o~80o。这样，整个进气过程中，进气门开启持续时间的曲轴转角，即进气持续角为180o+α+β。
进气门早开晚关的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已有一定开度，在进气行程中获得较大进气通道截面，使新鲜气体能顺利地充人气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流较大的惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关是利于充气的。发动机转速越高，气流惯性越大，迟闭角应取大值，以充分利用进气惯性充气。
2.排气门的配气相位
在作功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角度γ时，称为排气提前角，一般约为40o～80o。经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭，排气门关闭的延迟角δ称为排气迟后角，一般约为10o~30o。这样，整个排气过程中，排气门开启持续时间的曲轴转角，即排气持续角为180o+γ+δ。
排气门早开晚关的目的是：它主要是利用排气过程后期，当作功行程接近下止点时，气缸内的气体仍有300~500kPa的压力，但就活塞作功而言，作用不大，这时若稍开启排气门，大部分废气在此压力作用下可高速从缸内排出；以减小排气行程消耗的功。排气迟后关闭角主要是利用排气气流惯性排出更多的废气。当活塞到下止点时，气缸内压力大大下降(约为1l0~120kPa)，这时排气门的开度进一步增加，从而减少了活塞上行时的排气阻力。高温废气的迅速排出，还可以防止发动机过热。当活塞到达上止点时，燃烧室内的废气压力仍高于大气压力，加之排气时气流有一定惯性，所以排气门迟关，可以使废气排放得较干净。
3.气门的叠开
同一气缸的工作行程顺序是排气行程后，接着便是进气行程。因此，在实际发动机中，在进排气行程的上止点前后，由图3-10可见，由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了在一段时间内排气门与进气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠，重叠的曲轴转角α+δ称为气门重叠角。由于新鲜气流和废气流的流动惯性比较大，在短时间内是保持原来的流动方向。因此只要气门重叠角选择适当，就不会产生废气倒流人进气管或新鲜气体随同废气排出的可能性，这将有利于换气。但应注意，如气门重叠角过大，当汽油机小负荷运转，进气管内压力很低时，就可能出现废气倒流，进气量减少。对于不同发动机，由于结构形式，转速各不相同，因而配气相位也不相同。合理的配气相位应根据发动机性能要求，通过反复试验确定。
3.2.5气门间隙
所谓气门间隙就是指：发动机在冷状态时，在气门传动机构中，留有一定的间隙。以补偿气门及传动机构受热后的膨胀量。
发动机工作时，气门将因温度升高而膨胀。如果气门及其传动件之间，在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势会将气门自动顶开引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中的漏气，而使功率下降，严重时使发动机甚至不易起动。为消除上述现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中，留有适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。
气门间隙视配气机构的总体结构形式而定，同时这一间隙也可进行调整。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。通常在冷态时，进气门的间隙为0.25~0.30mm，排气门的间隙为0.3~0.35mm。如果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降严重时，将使气门烧坏。如间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间将产生撞击、响声，而加速磨损，同时也使气门开启的持续时间减短，
采用液力挺柱的发动机，挺柱的长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。如一汽奥迪、桑塔纳轿车无须预留气门间隙。
3.2.6配气机构的零件和组件
1.气门组
气门组包括气门、气门座、气门导管、气门弹簧、弹簧座及锁片等零件，
气门由头部和杆部两部分组成，
头部用来封闭气缸的进、排气通道，杆部则主要为气门的运动导向。气门头部的工作温度很高，而且还要承受气体压力、气门弹簧力以及传动组零件惯性力的作用，其冷却和润滑条件又较差。因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。
进气门的材料通常采用中碳合金钢(如铬钢、镍铬钢、铬钼钢等)热负荷较大的进气门也采用耐热合金钢，如硅铬钢。由于热负荷大，一般排气门采用耐热合金钢如硅铬钢、硅铬钼钢、硅铬锰钢等。为了节省耐热合金钢，有的发动机的排气门头部由耐热合金钢制造，而杆部的则用铬钢制造，然后将二者焊在一起，尾部再加装一个耐磨合金钢帽(如CA6102发动机)。
气门头顶面的形状有平顶、球面顶和喇叭形顶等，平顶气门头结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，进、排气门均可采用，
喇叭形顶头部与杆部的过渡部分具有一定的流线形，可以减少进气阻力，但其顶部受热面积大，故适用于进气门；
球面顶气门头，因其强度高，排气阻力小，废气的清除效果好，适用于排气门。但球形的受热面积大，质量和惯性力大，加工较复杂。
气门头部与气门座接触的工作面，是与杆部同心的锥角。通常将这一锥面与气门顶平面的夹角称为气门锥角，一般做成45o。有的发动机进气门的锥角做成30o，如图3-14所示。这是考虑到在气门升程相同的情况下，气门锥角较小时，气流通过断面较大，进气阻力较小。锥角较小的气门头部边缘较薄，刚度较小，致使气门头部与气门座的密封性及导热性均较差。排气门因热负荷较大而用较大的锥角。气门头部的边缘应保持一定厚度，一般为l~3mm，以防止工作中由于气门与气门座之间的冲击而损坏或被高温气体烧蚀，为了减少进气阻力，提高充气效率，多数发动机进气门的头部直径比排气门的大。为保证良好密合，装配前应将气门头与气门座二者的密封锥面互相研磨，研磨好的零件不能互换。为了改善气门头部的耐磨性和耐腐蚀性，有的发动机在排气门密封锥面上堆焊一层含有大量的镍、铬、钻等金属元素的特种合金，以提高硬度。
气门杆呈圆柱形，在气门导管中不断进行往复运动。其表面应具有较高的加工精度和较低的粗糙度，并经热处理以保证同气门导管的配合精度和耐磨性，并起到良好的导向、散热作用。气门杆端的形状决定于气门弹簧座的固定方式如图13-15所示。常用的结构是用剖分或两半的锥形锁片4来固定弹簧座3(图13—15a)。这时，气门杆1的端部可切出环槽来安装锁片。有的发动机的气门弹簧座用锁销5来固定（图3－15b），气门杆端有一个用来安装锁销的径向孔。
由于排气门热负荷特别高，为了改善其导热性能，有些发动机采用了的充钠排气门如图3-16所示，如捷达EAll3发动机五气门用排气门。其原理是：在排气门封闭内腔充注钠，钠在约为1243K时变为液态，具有良好的热传导能力，通过液态钠的来回运动，热量很快从气门头部传到根部，从而可使温度降低约100°C，排气门的这种内部冷却方式也同时降低了混合气自燃的危险，从而提高了气门的使用寿命。使用中值得注意的是：为了保护环境，不允许将排气门直接作为废品扔掉，必须在排气门中部用铁锯锯开一个缺口，在此期间不用水接触气门。将这样处理过的排气门扔入一个充满水的桶中，排气门一旦与水接触，就会立即发生化学反应，充注在其内部的钠发生燃烧，经过上述处理后的排气门才能作为普通废品处理。
有的发动机高速化后，进气管中的真空度显着提高，气门室的机油会通过气门杆与导管之间的间隙被吸人气缸内。为此，在发动机的气门杆上安装气门油封，以减少机油的消耗和燃烧室积炭的产生。
气门导管是气门在其中作直线运动的导套，以保证气门与气门座正确贴合。此外，气门导管还在气门杆与气缸盖之间起导热作用。气门导管—般用耐磨的合金铸铁或粉末冶金材料制造，然后以一定的过盈压入气缸盖的导管孔内。为了防止轴向运动，保证气门导管伸人进、排气歧管的合适深度，有的发动机对气门导管用卡环定位(图3-18)，它与卡环配合可防止工作时导套移动而落入气缸中，如图3－18a)。为了防止排气门与气门导管因积碳而卡住，在排气门导管内孔下部将孔径加大一些(图3－18b)。
气门导管的工作温度也较高，约500K。气门杆在导管中运动时，仅靠配气机构—飞溅出来的机油进行润滑，因此易磨损。气门导管大多数用灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造；导管内、外圆柱面经加工后压入气缸盖的气门导管孔中，然后再精铰内孔。气门杆与气门导管之间一般留有0.05~0.12mm间隙，使气门杆能在导管中自由运动。
气门座与气门头部共同对气缸起密封作用，并接受气门传来的热量。气门座在高温条件下工作，磨损严重，故有不少发动机的气门座用较好的材料(合金铸铁、奥氏体钢等)单独制作，然后镶嵌到气缸盖上(图3-18a)。采用铝合金气缸盖的发动机，由于铝合金材质较软，气门座必须镶嵌。
气门弹簧的作用是使气门自动回位，防止气门传动机构中产生间隙，克服在气门关闭过程中气门及传动件的惯性力，防止各传动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门与气门座紧密贴合，防止气门在发动机振动时发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧应具有足够的刚度和安装预紧力。
气门弹簧一端支承在缸盖或缸体上，另一端压靠在气门弹簧座上。为防止弹簧拆断，有些发动机采用同心安装的内、外两根弹簧，如图3－19所示。气门弹簧在工作时，当其工作频率与自然振动频率相等或成某一倍数时，将会发生共振，为了防止这一现象的发生，在安装弹簧时，应使两根弹簧的旋向相反。而且当一根弹簧折断时，另一根还可维持工作，还可防止折断的弹簧圈卡人另一个弹簧圈内，还能使气门弹簧的高度减小。可采取提高气门弹簧的自然振动频率，即提高气门弹簧自身刚度；或采用不等螺距的圆柱弹簧，这种弹簧在工作时，螺距小的一端逐渐叠合，有效圈数逐渐减小，自然频率逐渐提高，避免共振现象发生。
气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，其材料为高碳锰钢、铬钒钢等冷拔钢丝。加工后要进行热处理。钢丝表面要磨光、抛光或喷丸处理，以提高疲劳强度，增强弹簧的工作可靠性。此外，为了避免弹簧的锈蚀或弹簧的表面应进行镀锌、镀铜、磷化或发蓝处理。
为了改善气门和气门座密封面的工作条件，可设法使气门在工作中能相对气门座缓慢旋转。这样可使气门头沿圆周温度均匀，减小气门头部热变形。气门缓慢旋转时在密封锥面上产生轻微的摩擦力，有阻止沉积物形成的自洁作用。气门旋转机构的如图3-20所示。在图3-20a)所示的自由旋转机构中，气门锁片并不直接与弹簧座接触，而是装在一个锥形套筒中，后者的下端支承在弹簧座平面上，套筒端部与弹簧座接触面上的摩擦力不大，而且在发动机运转振动力作用下，在某一短时间内可能为零，这就使气门有可能自由地作不规则的转动。有的发动机采用图3-20b所示的强制旋转机构，使气门每开一次便转过一定角度。在壳体4中，有六个变深度的槽，槽中装有带回位弹簧5的钢球6。当气门关闭时，气门弹簧的力通过支承板2与碟形弹簧3直接传到壳体4上。当气门升起时，不断增大的气门弹簧力将碟形弹簧压平而迫使钢球沿着凹槽的斜面滚动，带着碟形弹簧、支承板、气门弹簧和气门一起转过一个角度。在气门关闭过程中，碟形弹簧的载荷减小而恢复原来的碟形。钢球即在回位弹簧5作用下回到原来位置。
2气门传动组
气门传动组主要包括凸轮轴及正时齿轮、挺柱、导管、推杆、摇臂和摇臂轴等。气门传动组的作用是使进、排气门能按配气相位规定的时刻开闭，且保证有足够的开度。
（1）凸轮轴（图3－21）上主要配置有各缸进、排气凸轮1，可以使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，因此对凸轮表面要求耐磨，对凸轮轴要求有足够的韧性和刚度。
发动机工作时，凸轮轴的变形会影响配气相位，因此有的发动机凸轮轴采用全支承以减小其变形，如图3-21所示的凸轮轴有五个轴颈2。支承数多，加工工艺较复杂。所以一般发动机的凸轮轴是每隔两个气缸设置一个轴颈，如图3-21所示。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。
凸轮轴的材料一般用优质钢模锻而成，也可采用合金铸铁或球墨铸铁铸造。凸轮和轴颈的工作表面一般经热处理后精磨，以改善其耐磨性。
同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置是与既定的配气相位相适应的。发动机各个气缸的进气(或排气)凸轮的相对角位置应符合发动机各气缸的发火次序和发火间隔时间的要求。因此，根据凸轮轴的旋转方向以及各进气(或排气)凸轮的工作次序，就可以判定发动机的发火次序。
六缸四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴须旋转两周而凸轮轴只旋转一周，在这一期间内，每个气缸都要进行一次进气(或排气)，且各缸进气(或排气)的时间间隔相等，即各缸进(或排)气门的凸轮彼此间的夹角均为60o。图3-21着火次序为1—5—3—6—2—4的六缸四冲程发动机的凸轮轴，从前端向后看凸轮轴旋转方向，任何两个相继发火的气缸进(或排)气凸轮间的夹角为360o／6=60o。
凸轮的轮廓应保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求，且使气门有合适的升程及其升降过程的运动规律。凸轮轮廓形状如图3-24所示。O点为凸轮旋转中心。EA为以O为中心的圆弧。当凸轮按图中箭头方向转过弧EA时，挺柱不动，气门关闭。凸轮转过A点后，挺柱(液力挺柱除外)开始上移。至B点，气门间隙消除，气门开始开启。凸轮转到C点，气门开度达最大。到D点，气门闭合终了。φ对应着气门开启持续角，ρ1和ρ2则分别对应着消除和恢复气门间隙所需的转角。凸轮轮廓BCD段的形状，决定了气门的升程及其升降过程的运动规律。
有些汽油机的凸轮轴布置在气缸的侧面下方时，凸轮轴上还具有用以驱动机油泵及配电盘的齿轮4和用以驱动汽油泵的偏心轮3(图3-21)。凸轮轴通常用曲轴通过一对正时齿轮驱动，图3-25所示为解放CAl091型汽车的CA6102型发动机的正时齿轮副。小齿轮和大齿轮分别用键装在曲轴与凸轮轴的前端，其传动比为2：1。在装配曲轴与凸轮轴时，必须将正时记号对准，以保证正确的配气相位和发火时刻。
为防止凸轮轴轴向窜动，凸轮轴必须有轴向定位装置。
常用的轴向定位方法有：
止推轴承定位，采用凸轮轴的第一轴承为止推轴承图3—26a。即控制凸轮轴的第一轴颈2上的两端凸肩与凸轮轴承座之间的间隙A.以限制凸轮轴的轴向移动。
止推片轴向定位，止推片4图3—26b安装在正时齿轮3与凸轮第一轴颈5之间，且留有一定的间隙，从而限止了凸轮轴的轴向移动量。
止推螺钉轴向定位，止推螺钉7图3—26c拧在正时齿轮室盖6上，并用锁紧螺母锁紧，调整止推螺钉拧入的程度就可以调整凸轮轴的轴向移动量。车用内燃机凸轮轴的轴向间隙一般为0.10~0.20mm。
（2）挺柱
挺柱的功用是将凸轮的推力传给推杆或气门，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。气门顶置式配气机构的挺柱一般制成筒式(图3-27a)，以减轻质量。
滚轮式挺柱，其优点是可以减小摩擦所造成的对挺柱的侧向力。这种挺柱结构复杂，重量较大。一般多用于大缸径柴油机上。
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。有
在挺柱工作时，由于受凸轮侧向推力的作用，会稍有倾斜，并且由于侧向推力方向是一定的，这样就会引起挺柱与导管之间单面磨损，同时挺柱与凸轮固定不变地在一处接触，也会造成磨损不均匀。为了避免这种现象的产生，有些汽车发动机挺柱底部工作面都制成球面(图3-27)，而且把凸轮面制成带锥度形状。这样在工作时，由于凸轮与挺柱的接触点偏离挺柱轴线，当挺柱被凸轮顶起上升时，接触点的摩擦力使其绕本身轴线转动，以达到磨损均匀之目的。
（3）液力挺柱
其结构特点是采用倒置的液力挺柱，直接推动气门的开启；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；单向阀采用钢球、弹簧式结构。
结构：
液压挺杆的工作原理：当凸轮由基圆部分与挺杆接触逐渐惭转到凸轮尖与梃杆接触时，机油通过缸盖上油道2(图3－30）、量油孔3、斜油孔4进入挺杆的环形油槽，再由环形油槽中的一个油孔进入挺杆低压油腔，挺杆向下移动，柱塞随之下移，高压油腔的油压升高，使球阀紧压在柱塞座上，低压油腔与高压油腔完全隔离。由于机油的不可压缩性，油缸和柱塞就形如一个刚性整体。随着凸轮轴的转动，气门便逐渐被打开。在凸轮的回程，在气门弹簧和凸轮的共同作用下，高压油腔依然关闭直至凸轮回程结束，当凸轮基圆再次与挺秆顶端相遇时，缸盖主油道中的压力油经量油孔、斜油孔，挺杆环形槽中的进油孔进入挺杆低压油腔。气门在气门弹簧的作用下将气门关闭。这时在高压油和柱塞回位补偿弹簧的作用下，柱塞向上移动，高压油腔的压力下降，球阀打开，高、低压腔相通，高压油腔的油得到了补充，即起到了补偿气门间隙的作用。
液压挺杆的工作过程：气门开始开启，当凸轮转到图3－31所示位置时，凸轮开始压下液压挺杆，单向阀(球阀)封闭，高压油腔内形成高压。此时，液压挺杆犹如一刚性部件推动气门运动。当气门开启时，由于凸轮直接将力作用于液压挺杆上，会使高压油腔少量高压油沿配合间隙泄漏，由于这一原因，挺杆在升起时会被压缩0.1mm。这是专门设计的，以使液压挺杆能自身调节凸轮轴与气门间的尺寸大小，这一过程一直持续到图3－32所示的凸轮位置。
气门间隙的平衡：
气门关闭后(图3－33的凸轮位置)气门间隙的平衡开始，凸轮不再给液压挺杆作用力，高压油腔的油压随之下降。补偿弹簧13(见图3－30)迫使挺杆上移，直
到凸轮与挺杆间无间隙存在。单向阀开启后，液压油从储油室进入高压油腔，其流入量取决于气门间隙的大小。当发动机达到正常工作温度时，在气门开启周期内，挺杆与凸轮完全保持平衡状态。
为防止发动机在停机状态下气缸盖油道中出现空油的现象，在气缸盖上设有一回油道，以确保发动机重新起动时挺杆内立即充油。
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”；因此可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”，因此仍能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。
推杆
推杆的作用是将从凸轮轴经过挺柱传来的推力传给摇臂，它是气门机构中最易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。
对于缸体与缸盖都是铝合金制造的发动机，其推杆最好用硬铝制造。推杆的两端焊接成压配有不同形状的端头，下端头通常是圆球形，以使与挺柱的凹球形支座相适应；上端头一般制成凹球形，以便与摇臂上的气门间隙调整螺钉的球形头部相适应。推杆可以是实心或空心的。钢制实心推杆(图3-34a)，一般是同球形支座锻成一个整体，然后进行热处理。图3-34b表示硬铝棒制成的推杆，推杆两端配以钢制的支承。图3-34c、d都是钢管制成的推杆。前者的球头是直接锻成，然后经过精磨加工的。后者的球支承则是压配的，并经淬火和磨光，以提高其耐磨性。
摇臂
功用是将推杆和凸轮传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门。
摇臂实际上是一个双臂杠杆,如图3-35所示。摇臂6的两边臂长的比值(称为摇臂比)约为1.2~1.8，其中长臂一端是推动气门的。端头的工作表面一般制成圆柱形，当摇臂摆动时可沿气门杆端面滚滑，这样可使两者之间的力尽可能沿气门轴线作用。摇臂内还钻有润滑油道和油孔。在摇臂的短臂一端装有用以调节气门间隙的调节螺钉1及锁紧螺母2(图3-37b)，螺钉的球头与推杆顶端的凹球座相接触。
摇臂多是用45号钢锻压而成，也有用铸铁或铸钢精铸而成。
3.2.7可变式配气机构
作用：
随着发动机各缸采用多气门化，发动机的高速动力性有了很大的提高，同时却带来了中小负荷经济性变差和低速扭矩的降低。从而使从高速到低速整个使用范围性能都得到提高。
本田汽车汽车采用一种可变配气相位与气门升程电子控制(VTEC)机构，如图3-36所示，来控制进气时间与进气量，从而使发动机产生不同的输出功率。
1.气门定时和升程可变的可变进气系统(VTEC)
装有VTEC机构的发动机每个气缸和常规的高速发动机一样都配置有二个进气门和排气门。不过，它的两个进气门有主次之分，即主进气门和次进气门。每个进气门均由单独的凸轮通过摇臂来驱动。驱动主、次进气门的凸轮分别叫主、次凸轮。与主、次进气门接触的摇臂分别叫主、次摇臂。主、次摇臂之间设有一个特殊的中间摇臂，它不与任何气门直接接触。三个摇臂并列在一起，均可在摇臂轴上转动。在主摇臂、次摇臂和中间摇臂相对应的凸轮轴上铸有三个不同升程的凸轮，分别称为主凸轮、次凸轮和中间凸轮(图3-37)。其中，中间凸轮的升程最大，它是按发动机双进双排气门工作最佳输出功率的要求而设计的，主凸轮升程小于中间凸轮，它是按发动机低速工作时单气门开闭要求设计的，次凸轮的升程最小，最高处只是稍微高于基圆，其作用只是在发动机怠速运行时，通过次摇臂稍微打开次气门，以免燃油集聚在次进气门口。中间摇臂的一端和中间凸轮接触，另一端在低速时可自由活动。三个摇臂在靠近气门一端均有一个油缸孔。油缸孔中都安置有靠油压控制的活塞，它们依次为正时活塞、主同步活塞、中间同步活塞和次同步活塞。
.2工作原理
VTEC机构是采用一根凸轮轴上设计两种(高速型和低速型)不同配气定时和气门升程的凸轮，根据发动机转速、负荷、水温及车速信号，由ECM进行计算处理后将信号输出给电磁阀来控制油压，进而使不同配气定时和气门升程的凸轮工作。
VTEC不工作时，正时活塞和主同步活塞位于主摇臂缸内，和中间摇臂等宽的中间同步活塞位于中间摇臂油缸内，次同步活塞和弹簧一起则位于次摇臂油缸内。正时活塞的一端和液压油道相通，液压油来自工作油泵，油道的开启由ECM通过VTEC电磁阀控制。VTEC电磁阀控制原理如图3-38所示。在发动机低速运行时(如图3-37)，ECM无指令，油道内无油压，活塞位于各自的油缸内，因此各个摇臂均独自上下运动。于是主摇臂紧随主凸轮开闭主进气门，以供给低速运行时发动机所需混合气，次凸轮则迫使次摇臂微微起伏，微微开闭次进气门，中间摇臂虽然随着中间凸轮大幅度运动，但是它对于任何气门不起作用。此时发动机处于单进双排工作状态，吸人的混合气不到高速时的一半。由于仍然是所有气缸参与工作，所以运转十分平顺均衡。而当发动机高速运行时(如图3-39)，即发动机转速在2300～2500r／min、车速在5km／h以上，水温在—5oC以上时，发动机负荷到达一定程度时，发动机控制电脑ECM就会向VTEC电磁阀供电以开启工作油道，于是工作油道中的压力油就推动活塞移动，压缩弹簧，这样主摇臂、中间摇臂和次摇臂就被主同步活塞、中间同步活塞和次同步活塞串联为一体，成为一个同步活动的组合摇臂。由于中间凸轮的升程大于另两个凸轮，而Ⅱ门轮角度提前，故组合摇臂随中间摇臂一起受中间凸轮驱动，主、次气门都大幅度地同步开闭，因此配气相位发生变化，吸入的混合气量增多，满足了发动机大负荷时的进气要求。
2.可变谐振增压系统
可变谐振增压系统是利用由谐振箱的容积、谐振管的长度和直径所决定的共振频率与气缸工作频率一致时，在谐振箱管系内产生非常大的压力振动(叫共振或谐振)。当压力为最大值时，恰好进气门关闭，这时进气充量最大。用转换阀来改变谐振系的管长，从而改变谐振所对应的转速，即最大扭矩所对应的转速。V
当转换阀开启时，谐振发生在短管2内，这时谐振发生在高速，故高速扭矩大。在JF型发动机上采用可变惯性增压和利用惯性增压后，发动机的扭矩从低速到高速都得到了提高。
日产公司也开发了类似的可变谐振增压系统(图3－41)，用在V型六缸发动机(VG30DE)上。
丰田汽车公司在IS－iLU发动机上，也采用了如图3—42所示的可变谐振增压系统。它是在进气系统中，并列设计了一个大的附加容积室4，在大容积与进气管之间设置控制阀3。当高速时.控制阀开启。当低中速时，控制阀关闭。利用谐振管系容积变化及管长变化，大大提高了整个使用区的充气效率。
小结
配气机构使发动机在各种工况下工作时获得最佳的进气量，配气机构的分为顶置气门、下量凸轮轴配气机构(OHV)，顶置气门、上量凸轮轴配气机构(OHV／OHC)，顶置气门、双摇臂、上置凸轮轴配气机构(OHV／OHC)，顶置气门、上量双凸轮辙配气机构(OHV／DOHC)，侧置气门式配气机构(SV)等形式。
配气机构有三种传动方式齿轮驱动、链驱动和齿形皮带驱动。四冲程发动机曲轴与凸轮轴之比(即传动比)应为2：1即曲轴旋转两周，凸轮轴旋转一周。现代汽车发动机采用多气门布置和排列方式，进、排气门配气相位早开晚关，以改善进、排气状况。凸轮轴上主要配置有各缸进、排气凸轮，凸轮的轮廓保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求，凸轮轴有轴向定位装置。轿车发动机采用液力挺柱，可消除配气机构中的间隙，减小各零件的冲击载荷和噪声。
可变配气相位机构使发动机整个工作范围性能都得到提高。
思考与练习题
1.配气机构的功用是什么?
2.为什么一般在发动机的配气机构中要留气门间隙?
3.如何从一根凸轮轴上出各缸的进、排气凸轮和该发动机的发火顺序？
4.气门弹簧起什么作用?对于顶置式气门如何防止当弹簧断裂时气门落入气缸中?
奥迪门5.配气机构中进、排气门为什么早开晚关？
6.简述液压挺柱的工作原理。
7.简述凸轮轴位置不同的配气机构各自特点。
8.简述气门定时和升程可变的可变进气系统(VTEC)工作原理。
1.气门的布置形式
　 2.凸轮轴的布置形式
　 3.凸轮轴的传动方式
　 4.气门间隙
一、进气门的配气相位
　 1.进气提前角
　 2.进气迟后角
　二、排气门的配气相位
　 1.排气提前角
　 2.排气迟后角
　三、气门的叠开
一、气门组
（一）气门
　 1.构造
　 2.气门的工作条件与材料
（二）气门座
　（三）气门导管
　（四）气门弹簧
通过本次课的讲述，使学生了解气门传动组的组成，掌握其构造特点。
　1.理解并掌握凸轮轴的构造特点；
　2.理解并掌握液力挺柱的原理；
　3.了解推杆及摇臂的构造特点。