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柴油發(fā)電機(jī)凸輪軸、挺桿、推桿、搖臂及氣門(mén)組件結(jié)構(gòu) |
摘要:配氣機(jī)構(gòu)按柴油發(fā)電機(jī)的工作循環(huán)和著火順序,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(jù)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(dǎo)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(gòu)成。其作用是按照規(guī)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(jī)工作時(shí),驅(qū)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(jī)的工作順序、配氣相位和氣門(mén)開(kāi)度的變化規(guī)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(jié)構(gòu):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(jù)情況)。
2、凸輪
凸輪軸上的凸輪有多種設(shè)計(jì)。凸輪的輪廓應(yīng)保證氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)刻和持續(xù)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(guī)律。
同一氣缸的進(jìn)排氣凸輪的相對(duì)角位置要符合配氣相位的要求。 而發(fā)動(dòng)機(jī)不同氣缸的同名凸輪的相對(duì)角位置應(yīng)符合發(fā)動(dòng)機(jī)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(jù)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)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(jī)的工作順序。
圖1 凸輪軸開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)間和旋轉(zhuǎn)方向 |
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)同名凸輪位置排列 |
3、凸輪軸軸頸
一般發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸是每隔兩個(gè)氣缸設(shè)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(nèi)。
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(hào)對(duì)準(zhǔn)。 正時(shí)標(biāo)記沒(méi)有正確對(duì)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。
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(qū)動(dòng)。 功用是將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)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(zhuǎn)時(shí)所施加的側(cè)向力。 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)。主要在較老的發(fā)動(dòng)機(jī)或一些高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。
(2)滾輪式挺柱
主要用在高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)經(jīng)熱處理后精磨;可直接裝在氣缸體上相應(yīng)處鏜出的導(dǎo)向孔中,也可裝在可拆式的挺柱導(dǎo)向體中。導(dǎo)向體上有安裝記號(hào)和定位裝置(如圖5所示),安裝時(shí)應(yīng)區(qū)分前后導(dǎo)向體塊以及保證安裝精度。
2、挺柱偏移
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),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(zhuǎn),磨損均勻。挺柱上的球面支座半徑r2應(yīng)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(yīng)力劇增。挺柱的側(cè)面承受凸輪產(chǎn)生的側(cè)向力,挺柱導(dǎo)向部分應(yīng)有足夠長(zhǎng)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(cè)量方式
傳統(tǒng)的挺柱選配測(cè)量?jī)x有兩種測(cè)量方式,這兩種測(cè)量方式主要區(qū)別在于缸蓋是否裝在缸體上進(jìn)行測(cè)量:一是缸蓋在缸蓋分裝線上完成氣門(mén)等分裝后,設(shè)備自動(dòng)測(cè)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)在線的挺柱選配測(cè)量?jī)x,分別對(duì)缸蓋、凸輪軸進(jìn)行測(cè)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(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,只對(duì)缸蓋進(jìn)行精定位,實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單易行;第二種方式最能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最終裝配狀態(tài),測(cè)量數(shù)據(jù)最有指導(dǎo)意義,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,需要發(fā)動(dòng)機(jī)有精定位,且需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的尺寸鏈進(jìn)行計(jì)算,看是否滿足設(shè)備的測(cè)量要求。
圖5 挺柱安裝定位裝置示意圖 |
圖6 柴油機(jī)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(yùn)動(dòng)傳到頂置氣門(mén)。推桿是配氣機(jī)構(gòu)中剛度最小的環(huán)節(jié),提高其剛度可明顯提高整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的剛度,有時(shí)為提高其剛度而適當(dāng)加大其質(zhì)量。
2、工作情況
是氣門(mén)機(jī)構(gòu)中最容易彎曲的零件。
3、材料
推桿多用厚壁無(wú)縫鋼管或?qū)嵭匿X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(yīng)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu),機(jī)油從支座的油道經(jīng)搖臂軸內(nèi)腔和搖臂中的油道流向搖臂兩端進(jìn)行潤(rùn)滑;為防止搖臂的竄動(dòng),在搖臂軸上每?jī)蓳u臂之間都裝有定位彈簧。
1、下置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)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(dǎo)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(dāng)氣門(mén)關(guān)閉時(shí),氣門(mén)桿端面高出搖臂軸線的距離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。
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(duì)稱(chēng)于氣門(mén)中心線,其中βa是搖臂擺動(dòng)中心O至氣門(mén)中心線的距離。
搖臂的材料多為鍛鋼或可鍛鑄鐵,搖臂氣門(mén)端柱面應(yīng)淬硬。
2、頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)的搖臂
在頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)中,凸輪與搖臂間接觸面的磨損嚴(yán)重,經(jīng)常采用滾輪式搖臂。也可以采用液壓間隙調(diào)節(jié)器來(lái)消除氣門(mén)間隙。液壓間隙調(diào)節(jié)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(jié)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(dǎo)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(shè)有氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 氣門(mén)組應(yīng)保證氣門(mén)能夠?qū)崿F(xiàn)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(duì)氣門(mén)和進(jìn)排氣過(guò)程有很重要的影響。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)進(jìn)排氣門(mén)錐角都為45º,如圖8所示。
圖7 氣門(mén)組件零件圖 |
圖8 柴油機(jī)氣門(mén)錐角標(biāo)注圖 |
2、導(dǎo)管
(1)作用: 為氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向,保證氣門(mén)直線運(yùn)動(dòng)兼起導(dǎo)熱作用。
(2)工作條件: 工作溫度較高,潤(rùn)滑困難,易磨損。
(3)材料: 用含石墨較多的鑄鐵,能提高自潤(rùn)滑作用。
(4)加工方法: 外表面加工精度較高,內(nèi)表面精絞。
(5)裝配: 氣門(mén)桿與氣門(mén)導(dǎo)管間隙應(yīng)保證0.05~0.12mm。
3、氣門(mén)油封
氣門(mén)油封使機(jī)油從氣門(mén)桿上脫開(kāi),并防止機(jī)油在氣門(mén)導(dǎo)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。
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(nèi)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(yīng)相適應(yīng),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(guó)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(jié)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(jī)械密封性;也有利于在走合期加速磨合,走合期結(jié)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(xiàn)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(jù)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(rèn)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(cè)量,如果寬度不正確或不符合規(guī)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(rèn)氣門(mén)座的定位是正確的。
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(jī)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(yùn)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(zhuǎn)裝置
氣門(mén)旋轉(zhuǎn)裝置(如圖14所示)使氣門(mén)在工作過(guò)程中相對(duì)氣門(mén)座緩慢旋轉(zhuǎn)。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。
圖13 氣門(mén)彈簧示意圖 |
圖14 氣門(mén)旋轉(zhuǎn)裝置示意圖 |
總結(jié) :
目前應(yīng)用較廣的是頂置式配氣機(jī)構(gòu),其裝在氣缸蓋上,除側(cè)置式機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)方便,不需要增設(shè)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(dāng)降低,減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的體積。但是,頂置式配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
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