摘要：氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的挺柱、推桿和搖臂組成，其工作原理是凸輪軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)氣門(mén)桿上下運(yùn)動(dòng)，使氣門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉。當(dāng)凸輪軸上的凸輪與氣門(mén)桿接觸時(shí)，氣門(mén)桿被抬起，氣門(mén)打開(kāi)；當(dāng)凸輪軸上的凸輪離開(kāi)氣門(mén)桿時(shí)，氣門(mén)桿被彈簧壓縮，氣門(mén)關(guān)閉。氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間由凸輪軸上凸輪的形狀和位置決定，這也是發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的工作條件和要求來(lái)設(shè)計(jì)凸輪軸的重要依據(jù)。

一、挺柱類型和結(jié)構(gòu)

      當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了避免凸輪凸尖頂動(dòng)氣門(mén)時(shí)的橫向力直接作用在氣門(mén)腳上，造成氣門(mén)桿單向磨損，使氣門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，因此在氣門(mén)與凸輪軸間裝有氣門(mén)挺柱。氣門(mén)挺柱也稱作挺柱。用于跟隨凸輪軸上凸輪的輪廓進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。氣門(mén)挺柱直接由凸輪軸驅(qū)動(dòng)，將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，以打開(kāi)和關(guān)閉氣門(mén)。發(fā)動(dòng)機(jī)上的挺柱有多種類型，包括整體滑動(dòng)式挺柱、凸輪隨動(dòng)桿（滾輪式挺柱）、滾輪臂式和液壓式挺柱。

1、整體滑動(dòng)式挺柱

      整體式挺柱以一個(gè)整體零件的形式傳遞運(yùn)動(dòng)，它在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上常見(jiàn)，位置如圖1所示。為減輕推桿重量和運(yùn)動(dòng)慣性，有些整體式挺柱設(shè)計(jì)成中空的管子，而有些卻設(shè)計(jì)成實(shí)心的。整體式挺柱主要在較老的發(fā)動(dòng)機(jī)或一些高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。它的一個(gè)缺點(diǎn)是噪聲大，具有一種特別的敲擊聲。

      為了避免挺柱的單向磨損，在有些柴油發(fā)電機(jī)上，把挺柱的下端面制成球面與捎帶錐形的凸輪相配合，或者把挺柱的中心線與凸輪的中心線相錯(cuò)開(kāi)。在工作時(shí)由于中心線不相重合，在橫向力的作用下便產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)力矩，使挺柱在上升的同時(shí)還作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到磨損均勻的目的。

      整體式挺柱的發(fā)動(dòng)機(jī)都必須有調(diào)整氣門(mén)間隙的措施。通常，調(diào)整是在氣門(mén)機(jī)構(gòu)的搖臂部分進(jìn)行的。在搖臂的一端有一個(gè)小的調(diào)整螺釘和鎖緊螺母，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整螺釘時(shí)，將使得搖臂增加或減小氣門(mén)和搖臂之間的間隙。用塞尺檢查這個(gè)間隙，并要調(diào)整到制造廠的規(guī)定值范圍內(nèi)。通常進(jìn)、排氣門(mén)間隙在0.2～0.4mm之間。如圖2所示。各種機(jī)器說(shuō)明書(shū)上有明確規(guī)定。

      氣門(mén)接觸高溫氣體，溫度很高，尤其是排氣門(mén)的溫度更高。氣門(mén)受熱膨脹，沿氣門(mén)桿伸長(zhǎng)，氣門(mén)桿越長(zhǎng)，膨脹量越大。如果挺柱與氣門(mén)腳或搖臂與氣門(mén)腳之間，在傳動(dòng)過(guò)程中不留間隙，柴油發(fā)電機(jī)工作不久，氣門(mén)就會(huì)關(guān)閉不嚴(yán)而漏氣。因此，氣門(mén)腳與挺柱間或氣門(mén)腳與搖臂間要留適當(dāng)?shù)拈g隙，當(dāng)氣門(mén)受熱膨脹時(shí)，使之有膨脹的余地，以免機(jī)溫升高后氣門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)。

      若間隙因發(fā)動(dòng)機(jī)使用久了或調(diào)整不當(dāng)變大時(shí)會(huì)使氣門(mén)升程減小，開(kāi)啟時(shí)間變短，造成進(jìn)氣不足或排氣不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。同時(shí)，氣門(mén)腳沖擊負(fù)荷增加，加速磨損。若間隙太小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，發(fā)生漏氣造成壓縮不良的后果。所以，在柴油發(fā)電機(jī)工作一段時(shí)間后，要進(jìn)行氣門(mén)間隙的校準(zhǔn)。

圖1  柴油機(jī)氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖

圖2  氣門(mén)間隙調(diào)整示意圖

2、滾輪式挺柱

      滾輪式挺柱是在其下端安裝一個(gè)小滾輪，如圖3（a）所示。這樣在凸輪頂?shù)綕L輪時(shí)，滾輪在凸尖的曲線上滾動(dòng)，減小了挺柱或凸輪間的直接磨損。

      凸輪隨動(dòng)件或滾輪挺柱有時(shí)用來(lái)代替整體式挺柱，它們通過(guò)滾輪在凸輪軸上滾動(dòng)凸輪隨動(dòng)件，有時(shí)用凸輪隨動(dòng)件代替挺柱。它與整體式挺柱很相似，唯一的區(qū)別是：凸輪隨動(dòng)件通過(guò)滾輪在凸輪軸上滾動(dòng)，而不是通過(guò)金屬滑動(dòng)。凸輪隨動(dòng)件降低了摩擦力，而且載荷分配更均勻。它們主要用在高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)上，如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和賽機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

      凸輪隨動(dòng)件的一端裝著滾輪，另一端是加工面，以便能夠插入推桿。凸輪隨動(dòng)件的側(cè)面還加工了一個(gè)小溝槽。通常，挺柱座孔內(nèi)有一個(gè)小銷子與這個(gè)溝槽配合。這種設(shè)計(jì)減小了凸輪隨動(dòng)件在其座孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的可能。這種挺柱有多種結(jié)構(gòu)，一種最常見(jiàn)的如圖3（b）示。在這種結(jié)構(gòu)中，滾輪直接在凸輪軸上滾動(dòng)，推桿裝在凸輪隨動(dòng)件中。采用這種凸輪隨動(dòng)件的發(fā)動(dòng)機(jī)也具有一個(gè)可調(diào)整的氣門(mén)組間隙。

3、滾輪臂式挺柱

      在凸輪和挺柱之間用一帶滾輪的搖臂代替挺柱，稱為滾輪臂，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。滾輪臂的一端套在與凸輪軸相平行的軸上，此軸稱為滾輪軸。用滾輪臂代替挺柱可以減小凸輪軸對(duì)挺柱的側(cè)向壓力和挺柱的往復(fù)慣性力。

4、液壓式挺柱

      液壓挺柱（桿）可以減小噪聲，并可控制氣門(mén)的間隙。液壓挺柱通過(guò)油壓使氣門(mén)間隙保持為零，其主要零件如圖5所示。液壓挺柱主要由挺柱殼體、油孔、柱塞彈簧、彈簧座、彈簧、單向球、柱塞、計(jì)量閥、挺柱座、鎖環(huán)組成。液壓挺柱的內(nèi)部零件安裝在挺柱殼體內(nèi)，柱塞在殼體內(nèi)上下移動(dòng)。頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)液壓挺柱的工作過(guò)程，搖臂直接推動(dòng)挺柱。通常在頂置凸輪軸的發(fā)動(dòng)機(jī)上，挺柱直接裝在凸輪軸的上方。

（1）凸輪凸部舉升之前的情況如圖6（a）所示。在凸輪凸部開(kāi)始舉升之前，柱塞被內(nèi)部回位彈簧向上頂起。機(jī)油從挺柱腔流向凹進(jìn)部位，稱為泄油區(qū)。挺柱內(nèi)的機(jī)油壓力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)。此時(shí)，高壓腔內(nèi)充滿了機(jī)油，氣門(mén)機(jī)構(gòu)中的所有間隙都被機(jī)油壓力消除。機(jī)油要通過(guò)單向球，此單向球只允許機(jī)油向一個(gè)方向通過(guò)。如果機(jī)油試圖從高壓進(jìn)入柱塞，將被單向球截止。一些挺柱采用單向閥而不是單向球，但原理是相同的。

（2）當(dāng)凸輪凸部開(kāi)始舉升挺柱時(shí)，如圖6（b）所示，氣門(mén)彈簧的壓力（通過(guò)搖臂可以看得出來(lái)）試圖阻止柱塞向上移動(dòng)。但是，挺柱的殼體被凸輪凸部舉起，這導(dǎo)致挺柱內(nèi)高壓腔內(nèi)的油溫升高。隨著凸輪繼續(xù)舉升挺柱的殼體，高壓將挺柱鎖止成一個(gè)整體，從而迫使氣門(mén)打開(kāi)。隨后，從柱塞和殼體之間的間隙中泄漏出少量的機(jī)油，從而使柱塞稍稍向下移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，這就叫作“泄漏”（Leak down）。泄漏非常重要，它由柱塞和殼體間的間隙精確地控制，其目的是使氣門(mén)彈簧的壓力能夠向下將柱塞推到殼體中。

（3）隨著凸輪的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，挺柱殼體上的壓力降低，這是因?yàn)橥馆喌耐共恳呀?jīng)轉(zhuǎn)過(guò)挺柱。隨著油壓的降低，氣門(mén)在氣門(mén)彈簧的壓力作用下關(guān)閉，挺柱的柱塞和殼體也回到初始的位置。機(jī)構(gòu)中的所有間隙再次被油壓消除。當(dāng)挺柱到達(dá)圖6（c）所示的位置時(shí)，就已準(zhǔn)備好重復(fù)以上工作循環(huán)。

二、推桿的類型與結(jié)構(gòu)

      推桿是氣門(mén)挺柱和搖臂組之間的傳動(dòng)桿，推桿的重量要盡量地輕，推桿用鋁合金（或鋼）制成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。為了減小運(yùn)動(dòng)慣性，多將推桿制成空心。鋁合金推桿的兩端用經(jīng)過(guò)熱處理的鋼質(zhì)材料鑲?cè)耄栽黾幽湍バ?。有些機(jī)器的推桿中間有射油孔，用以潤(rùn)滑搖臂。有些推桿的頂部還有小的凸球，這些凸球在挺柱和搖臂內(nèi)滾動(dòng)。

      只有凸輪軸內(nèi)置于缸體的發(fā)動(dòng)機(jī)才使用推桿，頂置凸輪軸式發(fā)動(dòng)機(jī)不需要推桿。

      推桿可能是實(shí)心的，也可能是空心的。在一些發(fā)動(dòng)機(jī)上，推桿的中心有一個(gè)小孔，使機(jī)油能夠通過(guò)液壓挺柱流到汽缸蓋的上部。整體式挺柱的推桿兩端沒(méi)有凸球，而是采用凹面。這個(gè)凹面端與搖臂上的小球相配合，如圖7所示，幾種不同類型的推桿端部形狀。

三、搖臂類型與結(jié)構(gòu)

1、搖臂的作用

      搖臂的作用有兩個(gè)：一是改變凸輪舉升力的方向；二是在氣門(mén)舉升過(guò)程中提供一定的機(jī)械效率。如圖9所示，當(dāng)挺柱和推桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，搖臂繞著中心支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣導(dǎo)致氣門(mén)一側(cè)的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。這種方向的改變使得氣門(mén)向下打開(kāi)。搖臂裝在汽缸蓋的搖臂軸上，用碳素鋼或合金鋼制成。它的一端制成長(zhǎng)臂，另一端制成短臂。長(zhǎng)臂端與氣門(mén)腳接觸，短臂端的上部有調(diào)整螺釘，下部和氣門(mén)推桿相接，搖臂軸到搖臂兩端的距離是不相等的。搖臂的一端制成長(zhǎng)臂的好處是，可以減小凸輪的尺寸，而又不使氣門(mén)的升程減小。

2、搖臂傳動(dòng)比

      對(duì)于一些發(fā)動(dòng)機(jī)，很重要的一點(diǎn)是要求氣門(mén)的打開(kāi)程度要比凸輪凸部的實(shí)際升程大。通過(guò)改變支點(diǎn)到搖臂兩端的距離即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，即搖臂兩端到支點(diǎn)的距離不相等，如圖10（a）所示。從點(diǎn)A到支點(diǎn)的距離小于從點(diǎn)B到支點(diǎn)的距離，這兩個(gè)距離的比就稱作搖臂傳動(dòng)比。在這個(gè)例子中，傳動(dòng)比是1.5：1，這就是說(shuō)，氣門(mén)打開(kāi)的距離是凸輪凸部的實(shí)際升程的1.5倍。

3、搖臂型式

      搖臂的設(shè)計(jì)和安裝有多種方式。有些安裝在搖臂軸上，在這種裝配形式中，要用到彈簧、墊圈、各個(gè)搖臂和螺栓等，如圖11所示。另外一些搖臂用螺柱直接安裝的缸蓋上。

      一些頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的搖臂采用這樣的方式：凸輪軸在搖臂的頂部直接驅(qū)動(dòng)搖臂，如圖10（b）所示。采用這種機(jī)械布置形式的凸輪軸，氣門(mén)的打開(kāi)距離要比凸輪軸的凸輪升程稍大一些。