柴油發(fā)電機(jī)凸輪軸、挺桿、推桿、搖臂及氣門組件結(jié)構(gòu)
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)地開啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)排氣門,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:以氣門為主要零件的氣門組和以凸輪軸為主要零件的氣門傳動組。氣門組包括氣門、氣門座、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、彈簧座及鎖緊裝置等零件。氣門是在高溫、高機(jī)械負(fù)荷及冷卻潤滑困難的條件下工作的,氣門頭部承受氣體壓力的作用,排氣門同時(shí)受到高溫廢氣的沖刷和廢氣中硫化物的腐蝕。因此,要求氣門具有足夠的強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損能力。
氣門傳動組由凸輪軸、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)打開和關(guān)閉進(jìn)、排氣門,并保證一定的開度。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)種類和氣門配置的不同,配氣機(jī)構(gòu)也不相同。四沖程柴油發(fā)電機(jī)配氣結(jié)構(gòu)有側(cè)置式和頂置式兩種。側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu)裝在氣缸的一側(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,易形成壓縮渦流。缺點(diǎn)是所形成的燃燒室不夠緊湊,抗爆性差,熱量損失多,進(jìn)、排氣阻力也較大,故此方式已較少應(yīng)用。
一、凸輪軸總成
在發(fā)動機(jī)工作時(shí),驅(qū)動和控制各缸氣門的開啟和關(guān)閉(如圖1所示),使其符合發(fā)動機(jī)的工作順序、配氣相位和氣門開度的變化規(guī)律等要求。
1、凸輪軸
(1)工作條件: 承受氣門間歇性開啟的沖擊載荷。
(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)保證氣門開啟、關(guān)閉的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間符合配氣相位的要求,并使氣門有合適的升程(決定氣門通道面積)及升程過程的規(guī)律。
同一氣缸的進(jìn)排氣凸輪的相對角位置要符合配氣相位的要求。 而發(fā)動機(jī)不同氣缸的同名凸輪的相對角位置應(yīng)符合發(fā)動機(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)動機(jī)的工作順序。
圖1 凸輪軸開啟關(guān)閉時(shí)間和旋轉(zhuǎn)方向
圖2 發(fā)動機(jī)同名凸輪位置排列
3、凸輪軸軸頸
一般發(fā)動機(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)記號對準(zhǔn)。 正時(shí)標(biāo)記沒有正確對齊,氣門將無法在正確的時(shí)刻打開和關(guān)閉。
6、凸輪軸的軸向定位
為防止凸輪軸軸向竄動,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、氣門挺柱
氣門挺柱也稱挺桿,直接由凸輪軸驅(qū)動。 功用是將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動,將凸輪的推力傳給推桿或氣門,以打開氣門,并承受凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所施加的側(cè)向力。發(fā)動機(jī)上的挺柱有多種類型,包括整體式挺柱、滾輪式挺柱(凸輪隨動桿)和液壓挺柱等。
1、挺柱的分類
(1)整體式挺柱
為輕型氣缸設(shè)計(jì)。主要在較老的發(fā)動機(jī)或一些高性能的發(fā)動機(jī)上使用。
(2)滾輪式挺柱
主要用在高壓縮比的發(fā)動機(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:
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、選配測量方式
傳統(tǒng)的挺柱選配測量儀有兩種測量方式,這兩種測量方式主要區(qū)別在于缸蓋是否裝在缸體上進(jìn)行測量:一是缸蓋在缸蓋分裝線上完成氣門等分裝后,設(shè)備自動測量氣門間隙,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,再通過在線的挺柱選配測量儀,分別對缸蓋、凸輪軸進(jìn)行測量,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)較簡單,只對缸蓋進(jìn)行精定位,實(shí)現(xiàn)起來簡單易行;第二種方式最能體現(xiàn)發(fā)動機(jī)的最終裝配狀態(tài),測量數(shù)據(jù)最有指導(dǎo)意義,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,需要發(fā)動機(jī)有精定位,且需要對整個(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、推桿
1、作用
推桿的作用是將挺柱傳遞的凸輪的運(yùn)動傳到頂置氣門。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
是氣門機(jī)構(gòu)中最容易彎曲的零件。
3、材料
推桿多用厚壁無縫鋼管或?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
搖臂的作用是用來將推桿或凸輪傳來的力改變方向,作用到氣門桿端以推開氣門。搖臂的設(shè)計(jì)與安裝有多種方式。有些通過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)行潤滑;為防止搖臂的竄動,在搖臂軸上每兩搖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。其靠氣門一端與氣門桿端面接觸,沿氣門桿端面連滾帶滑地移動,這不僅使接觸面易于磨損,而且氣門承受偏心載荷,加重氣門與氣門導(dǎo)管的磨損。
搖臂在氣門桿端面上的接觸點(diǎn)位移為
4x=ib(cosβ-cosβw)
式中,β是氣門間隙剛消除而氣門尚未開啟時(shí)的搖臂位置角。β是氣門開啟過程中任一瞬時(shí)的位置角。當(dāng)氣門關(guān)閉時(shí),氣門桿端面高出搖臂軸線的距離z二(0.35~0.45)氣門最大升程時(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)過度偏離氣門中心線。
ib和lv之間宜符合于或接近于ib=2lv/(cosβa+cosβw)的關(guān)系(為氣門最大升程時(shí)的搖臂位置角),以保證接觸點(diǎn)的移動范圍對稱于氣門中心線,其中βa是搖臂擺動中心o至氣門中心線的距離。
搖臂的材料多為鍛鋼或可鍛鑄鐵,搖臂氣門端柱面應(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)器來消除氣門間隙。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、氣門組件
氣門組件包括氣門、氣門導(dǎo)管、氣門油封、氣門座及氣門彈簧等,如圖7所示。有的進(jìn)氣門還設(shè)有氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 氣門組應(yīng)保證氣門能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸的密封。
1、氣門
氣門頭部與氣門座接觸并起密封作用的錐面與氣門頂平面的夾角。 氣門錐角大小對氣門和進(jìn)排氣過程有很重要的影響。大多數(shù)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門錐角做成30º,而排氣門考慮到受熱溫度高,多做成45º。也有的發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣門錐角都為45º,如圖8所示。
圖7 氣門組件零件圖
圖8 柴油機(jī)氣門錐角標(biāo)注圖
2、導(dǎo)管
(1)作用: 為氣門的運(yùn)動導(dǎo)向,保證氣門直線運(yùn)動兼起導(dǎo)熱作用。
(2)工作條件: 工作溫度較高,潤滑困難,易磨損。
(3)材料: 用含石墨較多的鑄鐵,能提高自潤滑作用。
(4)加工方法: 外表面加工精度較高,內(nèi)表面精絞。
(5)裝配: 氣門桿與氣門導(dǎo)管間隙應(yīng)保證0.05~0.12mm。
3、氣門油封
氣門油封使機(jī)油從氣門桿上脫開,并防止機(jī)油在氣門導(dǎo)管的頂部聚積。有主動式油封和被動式油封兩種,如圖9、圖10所示。
圖9 被動式油封
圖10 主動式油封
4、氣門座
氣門座指氣缸蓋(或氣缸體)的進(jìn)、排氣道口與氣門密封錐面直接貼合的部位 。 其作用是靠其內(nèi)錐面與氣門錐面的緊密貼合密封氣缸,接受氣門傳來的熱量。 類型分為一體式和鑲嵌式兩種。
(1)氣門座錐角
氣門座錐角與氣門錐角應(yīng)相適應(yīng),由三部分組成:
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