汽车配气机构认识与拆装

能力标准

学完本任务，你应获得以下能力：

①能根据相关技术规定，制订发动机配气机构的拆装方案。

②能正确规范实施配气机构的拆卸和装配。

③能正确识别配气机构主要零部件。

④能正确描述配气机构主要部件作用及结构特点。

任务描述

请以下列任务为指导，完成相关知识的学习和实施练习：

①实施某型号发动机配气机构的拆装练习。

②识别所拆卸配气机构的部件。

相关知识

配气机构的功用是按照发动机每一汽缸所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜可燃混合气（汽油机）或空气（柴油机）得以及时进入汽缸，废气得以及时从汽缸排出。

概述

（1）基本组成

配气机构主要包括气门组和气门传动组两部分，如图3.72所示。其中，气门组的组成与配气机构的形式基本无关，主要包括气门、气门座、气门弹簧、气门导管等；气门传动组包括驱动气门动作的所有零件，其组成取决于配气机构的形式，主要零件包括正时齿轮（或正时链轮和链条，或正时带轮和传动带）、凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂轴及摇臂等。

发动机工作时，曲轴通过正时齿轮驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱和推杆推动摇臂绕摇臂轴摆动，摇臂的另一端便向下推开气门，并使气门弹簧进一步压缩。当凸轮的顶点转过挺柱后，便逐渐减小了对挺柱的推力，气门在弹簧弹力的作用下，开度逐渐减小，直到最后关闭。

（2）配气机构常见类型

四冲程发动机通常采用气门式配气机构，气门式配气机构由气门组和气门传动组零件组成。配气机构可以从不同角度分类。按气门的布置形式，可分为气门顶置式和气门侧置式；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；按曲轴和凸轮轴的传动方式，可分为齿轮传动式、链传动式和带传动式。按每汽缸气门数目，有2气门式、4气门和5气门等多气门式。

图3.72　配气机构基本组成

1）按凸轮轴的布置形式

按凸轮轴的布置形式，可分为下置、中置和上置3种。三者都可以用于气门顶置式配气机构，如图3.73所示。

图3.73　凸轮轴布置形式

①下置凸轮轴配气机构（见图3.73（a））

凸轮轴布置在曲轴箱上，由曲轴正时齿轮驱动。其优点是凸轮轴离曲轴较近，可用齿轮驱动，传动简单。但存在零件较多、传动链长、系统弹性变形大、影响配气准确性等缺点。

②中置凸轮轴配气机构（见图3.73（b））

凸轮轴布置在曲轴箱上。与下置凸轮轴相比，省去了推杆，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，减小了气门传动机构的往复运动质量，适应更高速的发动机。

③上置凸轮轴配气机构（见图3.73（c））

凸轮轴直接布置在汽缸盖上，直接通过摇臂或凸轮来推动气门的开启和关闭。这种传动机构没有推杆等运动件，系统往复运动质量大大减小，非常适合现代高速发动机，尤其是轿车发动机。

根据顶置气门凸轮轴的个数，顶置式又分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种。双凸轮轴布置适用于多气门式发动机，特点是使用两个凸轮轴分别驱动进气门和排气门。在凸轮轴驱动气门的方法上，双顶置凸轮轴与单凸轮轴结构是相仿的，但由于使用两根凸轮轴，使凸轮轴与气门的距离变小了，因此传动用的摇臂将变短，有的甚至可以省去摇臂，直接使用凸轮轴驱动气门。双凸轮轴多气门的配气机构，是高速现代汽车发动机配气机构的主要形式。如图3.74所示为顶置双凸轮轴直接驱动5气门的配气机构。

2）按凸轮轴的传动方式

按凸轮轴传动方式可分为齿轮传动、链传动和带传动3种形式。

①齿轮传动

下置凸轮轴和中置凸轮轴与曲轴之间的传动大多采用圆柱形正时齿轮传动，一般从曲轴到凸轮轴只需要一对齿轮传动，如果传动齿轮直径过大，可以再增加一个中间惰轮。为了啮合平稳并降低工作噪声，正时齿轮大多采用斜齿轮。正时齿轮上都有正时记号，装配时必须按要求对齐。

②链传动

链传动特别适用于凸轮轴顶置式配气机构，如图3.75所示。为使链条在工作时具有一定的张力而不致脱链，装有导链板，上、下链条张紧轮等部件。为了使链条调整方便，有的发动机使用一根链条传动。其优点是布置容易，若传动距离较远时，还可用两级链传动。缺点是结构质量及噪声较大，链的可靠性和耐久性不易得到保证。

图3.74　双顶置凸轮轴直接驱动气门的配气机构

图3.75　链传动

③齿带传动

近年来，在高转速发动机上广泛使用齿形胶带代替传动链条，如图3.76所示。但在一些大功率发动机上仍然使用链条传动。齿形胶带具有工作噪声小、工作可靠以及成本低等特点。对于双顶置凸轮轴，一般是排气凸轮轴通过正时齿形胶带或链条由曲轴驱动，进气凸轮轴通过金属链条由排气凸轮轴驱动，或进气凸轮轴和排气凸轮轴均由曲轴通过齿形胶带或链条驱动。

图3.76　带传动

3）按每缸气门数

发动机气门数通常有2气门、3气门、4气门和5气门。多气门结构（3～5气门），使发动机的进排气流通截面积增大，提高了充气效率，改善了发动机的动力、经济性能和排放性能。

（3）气门间隙

发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷却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必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩行程和做功行程中的漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易启动。为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中留有一定的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一间隙称为气门间隙。有的发动机采用液力挺柱，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。

气门组

气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件，如图3.77所示。有的进气门还设有气门旋转机构。气门组应保证气门能够实现汽缸的密封，因此要求如下：

图3.77　气门组

①气门头部与气门座接合严密。

②气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向。

③气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜。

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，使气门能及时关闭，并保证气门紧压在气门座上。

（1）气门

气门由头部和杆部两部分组成。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。进气门的材料采用合金钢（如铬钢或镍铬钢等），排气门则采用耐热合金钢（硅铬钢等）。为了节省耐热合金钢，有的发动机排气门头部用耐热合金钢制造，而杆部则用铬钢制造，然后将两者焊在一起。

图3.78　气门顶部形状

气门头部的形状有平顶、凹顶和凸顶等，如图3.78所示。目前，使用最多的是平顶气门。平顶气门结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也小，进、排气门都可以采用。

气门头部与气门座之间接触的工作面称为气门密封锥面，气门密封锥面与气门顶平面之间的夹角，称为气门锥角，一般制作为45°，有些为30°。

气门锥角的作用如下：

①就像锥形塞子可以塞紧瓶口一样，能获得较大的气门座闭合压力，以提高密封性和导热性。

②气门落座时有自动定位作用。

③避免使气流拐弯过大而降低流速。

④有了锥角，气门落座时能挤掉接触面的沉积物，即有自洁作用。

气门杆与弹簧连接方式有锁片式，有两个半圆形锥形锁片（见图3.79（a））；锁销式，在气门杆端有一个孔安装一个锁销（见图3.79（b））。

图3.79　气门弹簧座固定形式

拆装气门时，必须先使用专用气门拆装钳压缩气门弹簧，然后拆下或装上气门锁片或锁销，并慢慢放松气门弹簧。拆下的气门，必须按标记并按顺序摆放，以免破坏气门与气门座及气门导管的配合。气门锁片或锁销很小，应注意防止丢失。

（2）气门导管

气门导管的功用是起导向作用，保证气门作直线往复运动，使气门与气门座能正确贴合。此外，气门导管还在气门杆与汽缸盖之间起导热作用。其结构如图3.80所示。

气门导管的工作温度也较高，约200℃。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，因此容易磨损。气门导管大多数用灰铸铁、球墨铸铁或铁基粉末冶金制造。

为了防止气门导管在使用过程中松落，有的发动机对气门导管用卡环定位。气门杆与气门导管之间一般留有0.05～0.12 mm间隙，使气门杆能在导管中自由运动。

图3.80　气门座及气门导管

（3）气门座

汽缸盖的进、排气道与气门锥面相贴合的部位称为气门座，气门座可在汽缸盖或汽缸体上直接镗出，但大多数是用耐热合金钢单独制成座圈（称气门座圈），压入汽缸盖（体）中，以提高使用寿命和便于维修更换。

气门座也有相应的锥角，气门座锥角是与气门锥角相适应的，以保证两者紧密贴合，可靠地密封。

（4）气门弹簧

气门弹簧的功用是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，保证气门及时落座并紧紧贴合，防止气门发生跳动，破坏其密封性。为此，气门弹簧应有足够的刚度和安装预紧力。气门弹簧是圆柱形螺旋弹簧，其一端支承在汽缸盖（体）上，而另一端则压靠在气门杆端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的末端。

气门传动组

气门传动组主要包括凸轮轴、正时齿轮、挺柱，此外还有推杆、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

凸轮轴用于驱动和控制各缸气门的开启和关闭，使其符合发动机的工作顺序、配气相位及气门开度的变化规律等要求。有些汽油机还用它来驱动汽油泵、机油泵和分电器等部件。凸轮轴材料多用优质碳钢或合金钢锻制，并经表面高频淬火（中碳钢）或渗碳淬火（低碳钢）处理。

凸轮轴主要由凸轮、凸轮轴轴颈等组成。对于下置式凸轮轴的汽油机还具有用以驱动机油泵、分电器的螺旋齿轮和驱动汽油泵的偏心轮，如图3.81所示。

图3.81　凸轮轴的结构

图3.82　凸轮轮廓示意图

1）凸轮

气门开启和关闭的持续时间是由凸轮的轮廓来保证的，而且凸轮的轮廓还在很大程度上决定了气门的最大升程和升降行程的运动规律。如图3.82所示的凸轮轮廓中，O为凸轮轴的轴心，圆弧EA为凸轮的基圆，AB和DE为凸轮的缓冲段，缓冲段中凸轮的升程变化速度较慢，BCD为凸轮的工作段，此段升程较快，C点时升程最大，它决定了气门的最大开度。

以下置式凸轮轴为例，凸轮的工作过程如下：当凸轮按图3.82中方向转过EA时，挺柱处于最低位置不动，气门处于关闭状态。凸轮转至A点时，挺柱开始移动。继续转动，在缓冲段AB内的某点M处消除气门间隙，气门开始开启，至C点时气门开度最大，而后逐渐关小，至缓冲段DE内某点N时，气门完全关闭。此后，挺柱继续下落，出现气门间隙，至E点时挺柱又处于最低位置。

由于气门开始开启和最后关闭时均在凸轮升程变化较慢的缓冲段内，这就使气门杆尾端在消除气门间隙的瞬间和气门头落座的瞬间的冲击力均较小，有利于减小噪声和减少磨损。

2）凸轮轴轴颈

凸轮轴轴颈用来支承凸轮轴。

凸轮轴各道轴颈的直径有的相等，但也有的从前往后逐渐减小，以便于安装。有些发动机其摇臂的润滑是靠凸轮轴轴承处通过缸体上的油道输送润滑油。为此，在凸轮轴颈上（2、4道）有两个不通的圆弧形节油槽，润滑油经该槽间歇地输送到摇臂轴。

3）凸轮轴的轴向限位

凸轮轴的轴向限位装置是为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力，凸轮轴都有轴向限位装置。常见的限位装置如图3.83所示。在凸轮轴前轴颈与正时齿轮之间，压装有调节环，调节环外面松套一止推板，止推板用螺钉固定于汽缸体前端面，调节环的厚度大于止推板的厚度，两者之差称为凸轮轴的轴向间隙，其间隙为0.08～0.20 mm。这种装置使止推板既能限制凸轮轴的轴向窜动，又能使凸轮轴自由转动。但轴向间隙过大时，除一般限位效能降低外，对于斜齿轮传动的凸轮轴来说还会由于轴移量过大，使轴产生角移动，而影响配气正时的正确性。

（2）挺柱

挺柱用于将凸轮的推力传给推杆或气门，同时还承受凸轮所施加的侧向力，并将其传递给机体或汽缸盖。挺柱常用材料有中碳钢、合金钢、合金铸铁和冷激铸铁等。它与凸轮轴的材料必须有合理的组合配对。挺柱可分为普通机械挺柱和液力挺柱两大类。

1）普通挺柱

普通挺柱一般应用在凸轮轴下置或中置式配气机构中，普通挺柱常见结构如图3.84所示。普通挺柱一般为筒式结构，在发动机工作时挺柱底部与凸轮接触，为使挺柱底部磨损均匀，挺柱底部的工作表面制作成球面。挺柱的下端设有油孔，以便将漏入挺柱内的润滑油排出到凸轮上进行润滑。普通挺柱内孔的底部也制成球面，它与推杆下端的球面接触，以减少磨损。

图3.83　凸轮轴轴向限位装置

2）液力挺柱

具有气门间隙的配气机构，发动机工作时便会发生撞击而产生噪声。为了解决这一矛盾，有些发动机采用了液力挺柱，液力挺柱能自动保持配气机构无间隙传动，从而降低噪声和减少磨损，如图3.85所示。

图3.84　普通挺柱

图3.85　液力挺柱

挺柱体内装有柱塞，柱塞上端压有球座作为推杆的支承座，同时将柱塞内腔堵住。弹簧用来将柱塞经常压向上方，卡簧用来对柱塞限位。柱塞下端单向阀架内装有碟形弹簧，用以关闭单向阀。

（3）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，推杆应尽量制作得短些。对于缸体和缸盖都是铝合金制造的发动机，其推杆最好用硬铝制造。推杆可以是实心或空心的，其上端一般是凹槽，下端是凸头。

（4）摇臂及摇臂组

摇臂的结构如图3.86（a）所示，它是一个以中间轴孔为支承，两臂不等长的双臂杠杆（其比值为1.2～1.8）。短臂一端装有气门间隙调整螺钉及锁紧螺母，长臂一端有用以推动气门的圆弧工作面。由于靠气门一端的臂长，因此在一定的气门升程下，可减小推杆、挺柱的运动距离和加速度，从而减小了工作中的惯性力。摇臂的材料一般为中碳钢，也有的用球墨铸铁或合金铸铁。

图3.86（b）所示为一组摇臂。两端带堵的中空摇臂轴通过支座固定于汽缸盖上。机油从支座的油道经摇臂轴内腔和摇臂中的油道流向摇臂两端进行润滑。为了防止摇臂轴向窜动，在摇臂一侧装有弹簧。摇臂轴支座并非都有油道，不可装错。

图3.86　摇臂及摇臂组

1—垫圈；2、3、4—摇臂轴支座；5—摇臂轴；6、8、10—摇臂；7—弹簧；9—定位销；11—锁簧；12—堵头；A、C、D、E—油孔；B—油槽

任务实施

实施要求

☞任务目标与要求

①小组成员分工协作，利用汽车维修手册（丰田5A发动机维修手册）及实训资料，依据任务工作单制订工作计划，并通过小组自评或互评检查工作计划。

②完成指定发动机配气机构的拆装，能认识并说出所拆部件的名称。

③清楚拆装方法、要求和相关技术参数。

☞注意事项

在任务实施过程中，严格遵守相关实验实训制度和规范的要求，注意职场健康与安全需求，做好废料的处理，并保持工作场所的整洁。

实施步骤

☞准备工作

①小组接受工作任务，准备发动机（丰田5A系带翻转架型）、拆装工具、维修手册等配套器材，清理场地，做好实施准备工作。

②组长带领组内成员阅读任务工作单，查阅相关手册或指导书，合理分工，制订任务计划，并检查计划有效性。

☞实施步骤

①合理选择工具，并正确使用各类工具完成丰田5A发动机配气机构的拆装任务。拆装过程中，请参考维修手册，严格按照相关技术标准和要求完成拆装任务。

②清洁工具，整理工位，废弃物分类放置。工具清洁后放回原位。现场恢复到作业前整洁状态。

丰田5A发动机配气机构分解图如图3.87所示。

图3.87　丰田5A发动机配气机构分解图

（1）配气机构传动组的拆装

配气机构传动组的拆装详见前述相关任务。

（2）气门组的拆卸

①拆下气门调整垫片。

②拆下进、排气门。使用气门拆装钳压缩气门弹簧，先后拆下锁片、弹簧座、气门弹簧及气门，如图3.88所示。

图3.88　进气门拆卸

图3.89　气门弹簧座垫圈拆卸

注意：按正确的顺序摆放气门、气门弹簧、弹簧座和锁片。

③使用尖嘴钳拆下气门杆油封。

④使用压缩空气和磁棒，拆下弹簧座平垫圈，如图3.89所示。

⑤拆下半圆键，如图3.90所示。

图3.90　半圆键拆卸

⑥汽缸盖分总成清洁，如图3.91所示。

a.使用垫片铲刀，从汽缸体接合面清除所有垫片材料，如图3.91（a）所示。

b.使用钢丝刷，清除燃烧室积炭，如图3.91（b）所示。c.使用气门导管衬套刷和溶剂，清洁所有气门导管，如图3.91（c）所示。d.使用软毛刷和溶剂，彻底清洁汽缸盖，如图3.91（d）所示。

图3.91　汽缸盖分总成清洁

注意：清洁过程中注意各摩擦表面，别损伤。

⑦清洁气门，使用垫片铲刀，铲掉气门顶部的积炭，使用钢丝刷，彻底清洁气门，如图3.92所示。

⑧拆卸气门导管衬套。

加热汽缸到80～100℃，使用专用工具和榔头敲出气门导管衬套。

（3）气门组的安装

按照拆卸的相反顺序完成气门组的安装。

①安装气门导管衬套。加热发动汽缸盖到规定温度，然后用专用工具和榔头将气门导管衬套敲入。

②安装半圆键。

③安装气门杆油封，如图3.93所示。

图3.92　清洁气门

图3.93　气门杆油封安装

注意：进气门油封为灰色，排气门油封是黑色。

④安装进、排气门，如图3.94所示。

使用气门拆装钳压缩气门弹簧，并在气门杆周围放入两个锁片。使用塑料榔头，轻轻敲击气门端头确保装配合适。

图3.94　进、排气门安装

⑤安装气门挺杆。

⑥安装气门调整垫片。给调整垫片涂一层薄机油，装入气门杆上。

☞评估总结

①回答指导教师提问，并接受指导教师相关考核。

②对本次任务完成过程及效果进行自我评价和小组互评，填写任务工作单。

③清洁工作场所，清点归还相关工具设备，完成本次任务。

任务工作单