第三章：配气机构

1、凸轮轴下置 有利因素：简化曲轴与凸轮轴 之间的传动装置（齿轮传动）， 有利于发动机的布置。
凸轮轴与气门相 不利因素是什么？
距较远，动力传 递路线较长，环 节多，因此不适 用于高速发动机。
2、凸轮轴中置式
传动方式：凸轮轴经过挺柱直接驱 动摇臂，省去了推杆。
摇臂 调整螺钉
挺柱 应 用：适用于发动机转速较高 时，可以减少气门传动机构的往复 运动质量。
5
3
如凸轮轴为反时针，工作顺序为：1—5—3—6—2—4的六缸发动机作功间隔为 120度，则同名凸轮的夹角为60度
3）异名凸轮的相对位置
同一气缸进排气凸轮相对位置，是由凸轮轴转向和发动机配气相位决定的。图 中两异名凸轮之间的夹角理论上：θ=180/2=90，实际上气门是早开晚闭的
θ反映在配气相位上
第三节：气门驱动组主要机件
组成：正时齿轮、凸轮轴、气门挺杆、气门推杆、摇臂、摇臂轴等
一.凸轮轴及其驱动装置
（一）凸轮轴功用
驱动和控制各缸气门的开闭， 使其符合发动机的工作顺序、 配气相位及气门开度变化规律 等要求。 （二）凸轮轴构造
组成：凸轮、凸轮轴轴颈等。
下置式凸轮轴汽油机还具有驱 动机油泵、分电器的螺旋齿轮 和驱动汽油泵的偏心轮
齿形带传动
曲轴→齿形皮带→凸轮 轴正时齿轮
成本低，但工作 性能好
凸轮轴上置 式配气机构
四、气门驱动形式有摇臂驱动、摆臂驱动和直接驱动三种类型。
1.摇臂驱动、单凸轮轴上置式配气机构 凸轮轴推动液力挺柱，液力挺柱推动摇臂， 摇臂再驱动气门；或凸轮轴直接驱动摇臂，摇臂 驱动气门。
2.摆臂驱动、凸轮轴上置式配气机构 由于摆臂驱动气门的配气机构比摇臂驱动式刚度更好，更有利于高速 发动机
充气效率越高越好，而其大小与配气机构结构有直接的关系。
按气门布置形式分：气门顶置式、气门侧置式
气门顶置式配气机构工作过程
驱动 顶起 曲轴正时齿轮———凸轮轴旋转——凸轮的凸起部分—— 挺、推杆—
—摇臂摆转——克服弹力推开气门——凸轮凸起部分顶点转过挺杆——减小 对挺柱的推力——气门在弹簧作用下开度逐渐缩小
’ ‘ 排 进 （ ） 2 2 2
'
1 90 o ( ) 4
1 180o 180 ( ) 2 2
（2）凸轮轴轴颈
四缸凸轮相对位置
N
C
E
凸轮的轮廓
凸轮轮廓应保证气门的运动规律符合配气相位的要求
气门升程最大时刻 缓冲结束点 气门开启点 气门关闭点
消除气门 间隙阶段
出现气门 间隙阶段
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2）同名凸轮相对位置
凸轮轴上各缸进气（排气）凸轮相对位置与凸轮轴转动方向、各缸工作顺序 和作功间隔角有关。
如凸轮轴为顺时针转动，工作顺序为：1—3—4—2的发动机作功间隔为180度， 表现在同名凸轮间夹角为90度。
气缸体 止推板
凸轮轴颈
窜动量
隔圈（调节环）
凸轮轴的 轴向间隙 利用调节环控制轴向窜动 43
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正时齿轮
可变气门正时、可变气门升程
发动机在高转速时，每 个气缸在一个工作循环 内，吸气和排气的时间 是非常短的，要想达到 高的充气效率，就必须 延长气缸的吸气和排气 时间，也就是要求增大 气门的重叠角；而发动 机在低转速时，过大的 气门重叠角则容易使得 废气倒灌，吸气量反而 会下降，从而导致发动 机怠速不稳，低速扭矩 偏低。
（一）进气门配气相位
（1） 进气提前角α： 排气冲程接近终了，曲轴转 到离上止点还差一个角度时 ， 进气门开。 （2） 进气迟后角β： 活塞经进气行程，过下止点后 又上行一段，关进气门
下止点 上止点
进气过程持续t：180+ α+ β 进气门早开，当进气行程开始， 气门已开大，气流可顺利充入。 活塞到达下止点时，气缸内p气仍低于po，仍有真空度。在气流惯性和真空 吸力下，还可进气，进气门晚关有利于充气。
摇臂
气门
间隙
进气门 0.25~0.30mm 排气门 0.30~0.35mm
气门杆
实物图
测量气门间隙
拧松紧定螺母，调正调节螺钉
第二节：配气相位 配气相位：用曲轴转角来表示进、排气门开启和关闭的持续时间。 配气相位图：用环行图表示
的配气相位
发动机转速很高，每 一活塞行程所占时间极 短，为使发动机在极短 的时间内进气充足，排 气彻底。 须尽可能延长进、排气 行程的时间，因此气门 实际开启、关闭适当有 所提前和延迟。
曲轴正 时齿轮
挺杆
推杆、摇臂轴、摇臂
调整螺钉和锁紧螺母。
凸轮轴正 时齿轮
二、凸轮轴布置形式:
1、下置式、 2、中置式
3、上置式。
1、凸轮轴下置式配气机构
下置凸轮轴由曲轴定时齿轮驱动。 发动机工作时，曲轴通过定时齿 轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮的上 升段顶起挺柱时，经推杆和气门 间隙调整螺钉推动摇臂绕摇臂轴 摆动，压缩气门弹簧使气门开启。 当凸轮的下降段与挺柱接触时， 气门在气门弹簧力的作用下逐渐 关闭。 四冲程发动机每完成一个工作循 环，每个气缸进、排气一次。这 时曲轴转两周，而凸轮轴只旋转 一周，所以曲轴与凸轮轴的转速 比或传动比为2∶1。
2） 凸轮制成锥形
挺柱的分类
菌式
气门侧置式
筒式
气门顶置式，减轻质 量
滚轮式
减小摩擦所造成的对 挺柱的侧向力。多用 于大缸径柴油机。
凸轮轴
活塞 12
3、凸轮轴上置式
特点： 凸轮轴与气门 距离近，不需要推杆、 挺柱，使往复运动的 惯量减少。
凸轮轴
凸轮轴
应用：高速发动机 如：桑塔纳轿车发动 机 活塞 双凸轮轴上置式发动机
3、凸轮轴上置式配气机构（OHC） 其主要优点是运动件少，传 动链短，整个机构的刚度大，适 合于高速发动机。由于气门排列 和气门驱动形式的不同，凸轮轴 上置式配气机构有多种多样的结 构形式。
配气相位演示
（三）气门叠开
气门叠开： 由于进气门早开、排气门晚 闭，在一段时间内出现进排气 门同时开启的现象。
气门叠开角：同时开启角：α+δ 气门叠开有利于换气，在换气 过程中，气门开度较小，新鲜 气体和废气流惯性很大，会保 持原来的流动方向，不会产生 废气吸入进气道或新鲜气体随 废气排除的问题。
丰田VVT-i可变气门正时系统
本田i-VTEC可变气门升程系统
宝马Valvetronic可变气门升程系统
奥迪AVS可变气门升程系统
奥迪AVS可变气门升程系统
低速时
高速时
（一）挺柱
二.气门挺柱与推杆
菌形 筒形 滚轮形
功用：将凸轮推力传给推杆或气门
（1）普通挺柱的构造
构造特点： 1） 挺柱底面制成球面。
气门顶置，下置凸轮轴（OHV） 气门顶置，上置凸轮轴（OHC）
气门顶置，双摇臂，上置凸轮轴（OHV/OHC）
六、气门间隙
功用：补偿气门受热后的膨胀量
如冷态时无间隙：则热态下， 气门和传动件的受热膨胀势必引 起气门关闭不严而漏气。使功率 下降，甚至烧坏气门。
气门间隙 气门间隙过大：使传动零件 之间以及气门、气门座之间产 生撞击响声，加剧磨损，气门 的开启持续时间减少，气缸充 气、排气情况变坏。
3.直接驱动、凸轮轴上置式配气机构 在这种形式的配气机构中， 凸轮通过吊杯形机械挺柱 驱动气门；或通过吊杯形 液力挺柱驱动气门。与上 述各种形式的配气机构相 比，直接驱动式配气机构 的刚度最大，驱动气门的 能量损失最小。因此，在 高度强化的轿车发动机上 得到广泛的应用。
五、每缸气门数及排列方式
某些大排量、高转速、高功率的发动机，由于气门尺寸的限制，每缸两个气 门不能满足需要，因此要采用三气门或四气门 气门排列方案： （1）同名气门排成两列 由一个凸轮轴通过T形驱 动杆同时驱动。
每缸5气门
一般为3进2排
排列方式
同名气门排成一 列 分别用2根凸轮轴 驱动同名气门 充气效率更高， 排放性能好，降 低油耗 宝来1.8T
驱动方式
一根凸轮轴驱动 气道结构简单，利于 缸盖冷却 货车发动机
优缺点
代表车型
常用气门顶置配气机构的类型
•气门顶置，下置凸轮轴（OHV） •气门顶置，上置凸轮轴（OHC） •气门顶置，双摇臂，上置凸轮轴（OHV/OHC） •气门顶置，上置双凸轮轴（OHV/DOHC）
（2）同名气门排成一列
由于进排气门分别位于曲 轴中心线的两侧，可分别 采用凸轮轴驱动。
各缸气门数及其排列方式
每缸气门数
结构特点
每缸2气门
一进一排，进气门直 径大于排气门 所有气门排成一列， 进、排气门交替布置
每缸4气门
两进两排，排气门 直径可减小 同名气门排成2列， 同名气门排成1列 前者：1根凸轮轴和 T型杆驱动； 后者：两根凸轮轴 充气效率高，有利 于改善排放 多数新款轿车
凸轮与挺柱线接 触，接触压力大， 磨损快。
凸轮工作过程：
凸轮转过EA段—气门关 闭——凸轮越A点—挺 柱上移—转动至M点— 消除气门间隙—气门开 启——至C点气门开度 最大—而后逐渐关小— 至DE中某点N时——气 门关闭——而后挺柱继 续下落—出现气门间隙
挺柱 挺柱
AM
C C A
N A
M
E
A
M
N
E
凸轮轴各道轴颈直径有的相等，有的从前往后逐渐减少，凸轮轴上有很多特 殊的油槽或油孔。 凸轮轴 缸体 油孔 集油槽 油堵 空腔
集油槽
泄油孔 凸轮轴
（三）凸轮轴轴承
凸轮轴轴承一般作成衬套压入整体式座孔内，再经加工与轴颈配合
（四）凸轮轴齿轮正时
凸轮轴的轴向定位：
作用：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。
（二）排气门配气相位 （1）排气提前角γ：
作功行程接近终了，活塞到达 下止点前，排气门开。
上止点
（2）排气迟后角δ：
经整个排气过程，活塞越过上止 点之后，排气门才关闭。 排气过程持续t：180+ γ + δ
下止点
作功行程接近终了，缸内可利 用能量已不大，排气门提前开， 可利用废气余压加速自由排气。 活塞到达上止点,废气气流的惯性，排气门晚关一些，使排气彻底
A、气门行程大，结构较复 杂，燃烧室紧凑。 B、曲轴与凸轮轴传动比为 2:1。
（二）气门顶置配气机构组成和工作
组成：气门组、气门传动组
配气机构组成
摇臂 气门弹 簧座 气门 弹簧
调整螺 钉螺母
摇臂轴
气门组：主要维持气门关闭 弹簧座、气门弹簧 气门导管、气门
摇臂轴 支架 气门 导管 推杆
气门
气门传动组：定时驱动气门开闭 正时齿轮、凸轮轴、挺杆
可变气门正时、可变气门升程
固定的气门正时很难同时满足发动机高转速和低转速两种工况的需求，所以可 变气门正时应运而生。可变气门正时可以根据发动机转速和工况的不同而进行 调节，使得发动机在高低速下都能获得理想的进、排气效率。 影响发动机动力的实质其实与单 位时间内进入到气缸内的氧气量 有关，而可变气门正时系统只能 改变气门的开启和关闭的时间， 却不能改变单位时间内的进气量， 变气门升程就能满足这个需求。 如果把发动机的气门看作是房子 的一扇“门”的话，气门正时可 以理解为“门”打开的时间，气 门升程则相当于“门”打开的大 小。
工作条件： 承受气门间歇性开启的冲击载荷。 耐磨，抗冲击韧性，刚度。
材料： 优质钢、合金铸铁、球墨铸铁 结构：凸轮、轴颈、偏心轮、螺旋齿轮；每2气缸一个轴颈；轴颈直 径前后依次减小；另有空心凸轮轴
凸轮
驱动分电器的螺旋齿轮
凸轮轴轴颈
（1）凸轮
1）凸轮的轮廓 气门开启、关闭持续时间须符合工 作顺序、配气相位的要求由凸轮轮 廓保证 工作条件：承受气门弹簧的张力，间歇 性的冲击载荷。 凸轮性能：表面有良好的耐磨性，足够 的刚度、韧性。
三、凸轮轴的传动方式： 曲轴与凸轮轴之间的传动方式：齿轮传动、链传动和带传动
传动方式 齿轮传动
传动路线
特点
应用
曲轴正时齿轮（钢）→ 凸轮轴正时齿轮（铸铁 或胶木）
工作可靠，啮合 平稳、噪声小
凸轮轴下置、 中置式配气 机构
凸轮轴上置 式配气机构
链条传动
曲轴→链条→凸轮轴正 时齿轮
可靠性、耐久性 略差，噪声大， 造价高
第三章：配气机构
（一）功用与分类
按发动机各缸工作过程需要，定时地开启、关闭进、排气门，使新鲜混合气或 空气及时进入气缸，废气及时排出气缸。
二、充气效率：
在进气行程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质 量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃 混合气的质量之比。 ηv=M/M0 M ——进气过程中，实际进入气缸的新气的质量； Mo——在理想状态下，充满ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ缸工作容积的新气质量。