【文章內(nèi)容簡介】 間隙的大小一般由發(fā)動機制造廠根據(jù)試驗確定。在冷態(tài)時，進氣門的間隙一般為— ，排氣門的間隙為 — 。如果間隙過小，發(fā)動機在熱態(tài)下可能發(fā)生漏氣，導(dǎo)致功率下降甚至氣門燒壞。如果氣門間隙過大，則使傳動零件之間以及氣門和氣門座之間產(chǎn)生撞擊聲，而且加速磨損，同時也會使得氣門開啟的持續(xù)時間減少，氣缸的充氣及排氣情況變壞。在此，進氣門間隙選 。排氣門間隙選 。 本章小結(jié) 本章通過對配氣機構(gòu)的一般基礎(chǔ)知識的介紹，對配氣機構(gòu)有了初步的認識，了解 其分類，功能，設(shè)計要求。熟悉本章內(nèi)容，對后文的分析和設(shè)計起基礎(chǔ)作用。 8 第 3 章 配氣正時的工作原理 配氣正時的介紹 配氣正時就是按活塞的工作行程去配置進排氣門的開啟時間。進氣沖程：活塞從上止點往下止點運動，進氣門開、排氣關(guān)；壓縮沖程：活塞從下止點往上止點運動，進排氣門關(guān)閉；做功沖程，活塞從上止點往下止點運動，進排氣門關(guān)閉；排氣沖程，活塞從下止點往上止點運動，進氣門關(guān)，排氣門開。 工作原理 配氣正時就是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上、下止點曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)矩的環(huán)形圖來表 示。如圖 31： 圖 31 曲軸轉(zhuǎn)矩環(huán)形圖 在排氣行程接近終了，活塞到達上止點之前，即曲軸轉(zhuǎn)到曲拐離上止點的位置還差一個角度 ? 時，進氣門便開始開啟，直到活塞過了下止點重又上行，即曲軸轉(zhuǎn)到曲拐超過下止點位置以后一個角度 ? 時，進氣門才關(guān)閉。這樣，整個進氣行程持續(xù)時間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角 180176。 +? +? 。 ? 一般 9 為 10176。 — 30176。， ? 角一般為 40176。 — 80176。 同樣，做功行程接近終了，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟，提前開啟的角度 ? 一般為 40176。 — 80176。經(jīng)過整個排氣行程，在活塞越過上止點后，排氣門才關(guān)閉，排氣門關(guān)閉的延遲角 ? 一般為 10176。 — 30176。整個排氣過程的持續(xù)時間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角 180176。 +? +? 。 本章小結(jié) 通過對配氣正時以及其工作原理的介紹，對配氣正時有了進一步的了解，熟悉本章內(nèi)容后，對后文的分析和設(shè)計起基礎(chǔ)作用。 10 第 4 章 配氣機構(gòu)的零件及組件 氣門組 a)氣門組包括氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座及氣門彈簧等零件。氣門組應(yīng)保證氣門與氣門座嚴密貼合，在高溫、冷卻和潤滑條件都較差的情況下工作時，能有足夠的強度并耐磨、耐腐蝕。為此，對氣門組提出以下設(shè)計要求： b)氣門與氣門座應(yīng)密封； c)氣門能沿氣門軸心線在導(dǎo)管中作往復(fù)直線運動； d)氣門彈簧的兩端面應(yīng)與氣 門桿的中心線垂直，以保證氣門頭在氣門座上不偏斜； e)氣門彈簧應(yīng)有足夠的彈力和剛度，以保證氣門能迅速關(guān)閉并嚴密壓緊在氣門座上； f)彈簧座的固定應(yīng)可靠。 氣門 氣門由頭部和桿部兩部分組成。頭部的工作溫度很高，因此，要求氣門必須具有足夠的強度、剛度、耐熱和耐磨能力。進氣門的材料采用 40cr，排氣門則采用 4cr9si2。 氣門頭頂部的形狀選用平頂，平頂氣門頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，吸熱面積小，質(zhì)量也小，進、排氣門都可以采用。 氣門密封錐面的錐角，一般做成 45176。氣門頭的邊緣應(yīng)保持一定的厚度，一般為 1~3mm，以防止工作中由于氣門座之間的沖擊而損壞或被高溫氣體燒蝕。為了減少進氣阻力，提高氣缸的充量系數(shù)，多數(shù)發(fā)動機進氣門的頭部直徑比排氣門的大。在此，氣門頭的邊緣厚度選 1mm。 任一氣門開度時的氣門開啟斷面積 f 可以認為就是氣門處氣體通道的最小斷面積。在常用的氣門升程不大的情況下，通常認為這個 f 就是以氣門頭部最小直徑（一般等于氣門喉口直徑 dh）為小底，直徑 d/ t 為大底， h/為斜高的截錐體的測表面積。 氣門的作用是專門負責(zé)向發(fā)動機 內(nèi)輸入燃料并排出廢氣，傳統(tǒng)發(fā)動機每個汽缸只有一個進氣門和一個排氣門，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較 11 低，維修方便，低速性能較好，缺點是功率很難提高，尤其是高轉(zhuǎn)速時充氣效率低、性能較弱。為了提高進排氣效率，現(xiàn)在多采用多氣門技術(shù)，常見的是每個汽缸布置有 4 個氣門（也有單缸 3 或 5 個氣門的設(shè)計，原理一樣，如奧迪 A6 的發(fā)動機）， 4 汽缸一共就是 16 個氣門，我們在汽車資料上經(jīng)常看到的 “16V”就表示發(fā)動機共 16 個氣門。這種多氣門結(jié)構(gòu)容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以令油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門的重量和開 度適當(dāng)?shù)販p小，使氣門開啟或閉合的速度更快。 圖 41 氣門截面簡圖 上圖示氣門口的基本尺寸及其通道斷面積： （ 41） （ 42） （ 43） （ 44） 2/)( 39。39。 tddhhf ?? ??cos39。 hh ????? c o ss in2s in2 39。39。 hdhhdhtd ????)2s i n2(c o s)2c o ss i nc o s( ??????? hdhhhdhhf ????? 12 式中 ? 為氣門密封錐面的錐角，取 ? =45176。由上式可知，在氣門尺寸一定時，氣門口通道斷面積與氣門升程有直接關(guān)系。由于它們都是時間的函數(shù)，因此，氣門開啟“時間值”可以用積分式 ttt fd?12（毫米 /? 秒）表示。可用豐滿系數(shù)來評價氣門機構(gòu)的時間斷面，豐滿系數(shù)定義為氣門通路的平均斷面面積與最大通過斷面積之比。 fttff tt dttfmm a x12m a x )()(21????? 時間值 與豐滿系數(shù)用來表示氣門的通過能力。在同一氣流速度下，此參數(shù)越大，進氣量就越大。 通常有： 進氣門喉口直徑 dhi=（ —— ） D=35—— ,取為 35 mm 排氣門喉口直徑 dhe= (—— )D=—— 35 mm,取為 32mm 進氣門頭部直徑 dvi=(—— )D=—— ,取為 38mm 排氣門頭部直徑 dve=(—— )D=—— ,取為 34mm 進氣門直徑 di=(—— )D=28—— mm,取為 40mm 排氣門直徑 de=(—— )di=—— mm,取為 36mm 圖 42 氣門相對升程與流量的關(guān)系 13 圖 43 馬赫指數(shù)與容積效率 氣門相對升程與進氣流量間的關(guān)系如圖 3。因此，一般 取進氣門升程hi=（ —— ） 46=—— ，取 hi=；排氣門升程為he=(—— )de=—— ,取 he=。 氣門口的時面值在氣口和氣門尺寸決定后，主要決定于氣門升程曲線的形狀，同時也與發(fā)動機的配氣相位有關(guān)。提高氣門的開啟速度、加寬配氣定時都能夠提高氣門通過能力。但是，在氣道中的氣體流動過程中決定氣體通過氣門的阻力的大小有一系列的因素。進氣門頭部向桿過渡部分的形狀、氣門座內(nèi)孔的形狀、氣道內(nèi)氣門導(dǎo)管處的形狀以及氣體的流速等都影響氣體 流動阻力，從而影響氣門的實際通過能力。 氣門出氣體的通過能力可以用進氣馬赫數(shù)與流量系數(shù)的比值，即馬赫數(shù) Z 來評價。試驗表明，當(dāng) Z 時，充氣效率就大大下降，如圖 4 所示。設(shè)計中校核發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速時的馬赫指數(shù)，保證 Z。 mami uudDz 2????????? （ 45） gkRTa? （ 46） 式中 D—— 氣缸直徑， D=95mm； a—— 進氣門口 處的聲速 m/s； 14 g—— 重力加速度， g= k—— 絕熱指數(shù)， k=； R—— 氣體常數(shù)， R=287J/Kg? k； To—— 進氣門的絕熱溫度， To=293K； Vm—— 活塞平均速度， Vm=； ? m—— 進氣平均流量系數(shù)； ?????? iim dh? 所以 sma ????? （ 47） 2 ??????????z （ 48） 這時的充氣效率在 左右，符合設(shè)計要求。 氣門的主要尺寸是氣門頭部直徑和氣門總長度，其中氣門頭部直徑根據(jù)氣缸換氣良好的要求應(yīng)盡可能大，進、排氣門的頭部直徑根據(jù)相關(guān)的資料已經(jīng)確定。而氣門總長度完全取決于氣缸蓋及氣門彈簧的高度。一般希望盡量縮小氣門總長度以 降低發(fā)動機的總高度。一般 l=(— )D。在此取 l=98mm。 氣門桿部直徑應(yīng)該足夠大，以利于熱的傳出和承受可能產(chǎn)生的側(cè)向力。當(dāng)氣門有搖臂或擺桿驅(qū)動時，側(cè)向力很小，一般， 這里取 。 頭部的結(jié)構(gòu)尺寸 頭部除影響氣體的流動阻力外，還關(guān)系到它的結(jié)構(gòu)剛度、重量、溫度和制造工藝，從而關(guān)系到它的使用壽命。進氣門頭部端面為平頂，氣門座合面錐角 45176。進氣門頭部最大直徑為 38mm，排氣門頭部最大直徑為34mm。進氣門、排氣門頭部厚度為 ? 。 a) 桿部 進氣門桿直徑 ??? ，排氣門桿直徑 ??? 。進氣門長度mm0 ? ，排氣門長度 mm0 ? 。氣門桿尾部用鎖夾槽和錐形卡塊與上彈簧座的結(jié)合必須是可靠的，且保證不能降低桿身的 強度。 b) 材料 mmdg 8?vg dd )~(? 15 進、排氣門工作條件不同，對材料的要求也不同。進氣門使用溫度較低，排氣門工作溫度高，由于氣門工作條件苛刻，因此對氣門材料要求較高。在此選用的進氣門材料為 40Cr。為提高桿部和密封錐面的耐磨性，采用了高頻淬火工藝，桿部表面采用工藝鍍鉻工藝。因鎖夾處是氣門的薄弱環(huán)節(jié)，為了提高該鎖夾處的疲勞強度，采用滾壓強化處理。 排氣門采用了國內(nèi)較成熟的兩種材料對焊工藝。即頭部材料為奧氏體鋼硅鉻鋼 4Cr9Si2，桿部材料為馬氏體鋼 4Cr10Si4Mo 頭部和桿部采用摩擦焊接，排氣門桿部采用厚鍍鉻，可改善桿部和導(dǎo)管的耐 磨性。桿端部采用了高頻淬火，排氣門密封錐面采用堆焊鉆基合金，用以增加耐磨性。氣門桿端面與搖鈴摩擦，應(yīng)有很高的耐磨性。 氣門座圈 柴油機有的是進、排氣門座均用鑲嵌式，有的只鑲進氣門座，這是因為柴油機的排氣門與氣門座常能得到由于燃燒不完全而夾雜在廢氣中的柴油、機油以及煙粒等潤滑而不致被強烈地磨損；但是柴油機的進氣門面臨的情況則完全不同，從導(dǎo)管漏人的機油很少，而且柴油機有較高的氣體壓力，加上進氣門的直徑大，容易變形，這些因素都將導(dǎo)致進氣門座的磨損加劇。氣門座與氣缸蓋的工作溫度、材料膨脹系數(shù)不同，必須仔 細確定他們間的配合尺寸。經(jīng)驗表明，氣門座外徑過盈達氣門座外徑的 — 左右即可。鋁缸蓋時應(yīng)取上限。此外，為了保持這一過盈量，氣門座圈還應(yīng)該有足夠的斷面尺寸，一般取其壁厚為座圈內(nèi)徑的 — 倍，取氣門座高度為氣門座外徑的 — 倍。但是依靠很大的過盈來防止氣門座的松脫，可能會導(dǎo)致很大的變形，所以有所利用鋁氣缸蓋或鋼氣門座的局部塑性變形來提高防松的可靠性，這時允許取較小的配合過盈。在此，選取座圈徑向厚度為 ，高度為 6mm。 氣門導(dǎo)管 氣門導(dǎo)管除引導(dǎo)氣門正確地 上下運動外，同時還將氣門桿的熱量傳遞給蓋或缸體。為了便于調(diào)換或修理，氣門導(dǎo)管都制成單件，壓入缸蓋或缸體的氣門導(dǎo)管空座中。氣門導(dǎo)管一般用鑄鐵制成，因為鑄鐵中的石墨有較好的耐磨和滑動作用。為了限制流入氣門導(dǎo)管的潤滑油的溢出，以及防止?jié)櫥屯ㄟ^導(dǎo)管中的間隙而落入氣缸，在頂置式的氣門上部、彈簧盤的下 16 面裝有薄金屬片或橡膠制成的油封。導(dǎo)管與其座套的過盈取氣門桿直徑的 — ，一般進 氣門間隙取 vd)( ? , 排氣門桿取vd)( ? ， vd 是氣門桿直徑。導(dǎo)管壁厚一般為 3— 5 毫米，在此取 3毫米。 彈簧設(shè)計計算 A)彈簧預(yù)緊力 1F ，氣門關(guān)閉時彈簧預(yù)緊力要保證氣門與氣門座的良好密封。一般認為，彈簧預(yù)緊力 1F 應(yīng)在進氣口面積上產(chǎn)生 150Kpa 以上的壓強，據(jù)此推出 ii dF ? 式中， di 為進氣口直徑（ mm） ，根據(jù)前面的設(shè)計知，di 為 46mm。 22 ???? ii dF 。 1F 取為 250N。 彈簧的最大彈力2F,在選取時可取， 7 5 0~5 0 0))5~2( 12 ?? FF ,2F取750N。 B)氣門彈簧基本尺寸的確定： 外彈簧 mmDD w ~)~( ?? ，取wD=； 內(nèi)彈簧 mmDDw ~19)~( ??，取wD=； 簧絲直徑 ? ? 31m a ?????