摘要：氣門(mén)傳動(dòng)機構由凸輪軸驅動(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)桿上下運動(dòng)，使氣門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉。當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)機的設計者根據不同的工作條件和要求來(lái)設計凸輪軸的重要依據。

一、挺柱類(lèi)型和結構

      當凸輪軸轉動(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，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(chēng)作挺柱。用于跟隨凸輪軸上凸輪的輪廓進(jìn)行運動(dòng)。氣門(mén)挺柱直接由凸輪軸驅動(dòng)，將凸輪軸的旋轉運動(dòng)轉變?yōu)橥鶑瓦\動(dòng)，以打開(kāi)和關(guān)閉氣門(mén)。發(fā)動(dòng)機上的挺柱有多種類(lèi)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動(dòng)，它在小型發(fā)動(dòng)機上常見(jiàn)，位置如圖1所示。為減輕推桿重量和運動(dòng)慣性，有些整體式挺柱設計成中空的管子，而有些卻設計成實(shí)心的。整體式挺柱主要在較老的發(fā)動(dòng)機或一些高性能發(fā)動(dòng)機上使用。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(xiàn)與凸輪的中心線(xiàn)相錯開(kāi)。在工作時(shí)由于中心線(xiàn)不相重合，在橫向力的作用下便產(chǎn)生了扭轉力矩，使挺柱在上升的同時(shí)還作旋轉運動(dòng)，從而達到磨損均勻的目的。

      整體式挺柱的發(fā)動(dòng)機都必須有調整氣門(mén)間隙的措施。通常，調整是在氣門(mén)機構的搖臂部分進(jìn)行的。在搖臂的一端有一個(gè)小的調整螺釘和鎖緊螺母，當轉動(dòng)調整螺釘時(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，并要調整到制造廠(chǎng)的規定值范圍內。通常進(jìn)、排氣門(mén)間隙在0.2～0.4mm之間。如圖2所示。各種機器說(shuō)明書(shū)上有明確規定。

      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(cháng)，氣門(mén)桿越長(cháng)，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)電機工作不久，氣門(mén)就會(huì )關(guān)閉不嚴而漏氣。因此，氣門(mén)腳與挺柱間或氣門(mén)腳與搖臂間要留適當的間隙，當氣門(mén)受熱膨脹時(shí)，使之有膨脹的余地，以免機溫升高后氣門(mén)關(guān)閉不嚴。

      若間隙因發(fā)動(dòng)機使用久了或調整不當變大時(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)機功率下降。同時(shí)，氣門(mén)腳沖擊負荷增加，加速磨損。若間隙太小時(shí)，會(huì )出現氣門(mén)關(guān)閉不嚴，發(fā)生漏氣造成壓縮不良的后果。所以，在柴油發(fā)電機工作一段時(shí)間后，要進(jìn)行氣門(mén)間隙的校準。

圖1  柴油機氣門(mén)傳動(dòng)機構工作原理圖

圖2  氣門(mén)間隙調整示意圖

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。這樣在凸輪頂到滾輪時(shí)，滾輪在凸尖的曲線(xiàn)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)機上，如柴油發(fā)動(dòng)機和賽機發(fā)動(dòng)機。

      凸輪隨動(dòng)件的一端裝著(zhù)滾輪，另一端是加工面，以便能夠插入推桿。凸輪隨動(dòng)件的側面還加工了一個(gè)小溝槽。通常，挺柱座孔內有一個(gè)小銷(xiāo)子與這個(gè)溝槽配合。這種設計減小了凸輪隨動(dòng)件在其座孔內轉動(dòng)的可能。這種挺柱有多種結構，一種最常見(jiàn)的如圖3（b）示。在這種結構中，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)機也具有一個(gè)可調整的氣門(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(chēng)為滾輪臂，其結構如圖4所示。滾輪臂的一端套在與凸輪軸相平行的軸上，此軸稱(chēng)為滾輪軸。用滾輪臂代替挺柱可以減小凸輪軸對挺柱的側向壓力和挺柱的往復慣性力。

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、計量閥、挺柱座、鎖環(huán)組成。液壓挺柱的內部零件安裝在挺柱殼體內，柱塞在殼體內上下移動(dòng)。頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機液壓挺柱的工作過(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，柱塞被內部回位彈簧向上頂起。機油從挺柱腔流向凹進(jìn)部位，稱(chēng)為泄油區。挺柱內的機油壓力來(lái)自發(fā)動(dòng)機的潤滑系統。此時(shí)，高壓腔內充滿(mǎn)了機油，氣門(mén)機構中的所有間隙都被機油壓力消除。機油要通過(guò)單向球，此單向球只允許機油向一個(gè)方向通過(guò)。如果機油試圖從高壓進(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，這導致挺柱內高壓腔內的油溫升高。隨著(zhù)凸輪繼續舉升挺柱的殼體，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(zhù)凸輪的繼續轉動(dòng)，挺柱殼體上的壓力降低，這是因為凸輪的凸部已經(jīng)轉過(guò)挺柱。隨著(zhù)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。機構中的所有間隙再次被油壓消除。當挺柱到達圖6（c）所示的位置時(shí)，就已準備好重復以上工作循環(huán)。

二、推桿的類(lèi)型與結構

      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，結構如圖7所示。為了減小運動(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)材料鑲入，以增加耐磨性。有些機器的推桿中間有射油孔，用以潤滑搖臂。有些推桿的頂部還有小的凸球，這些凸球在挺柱和搖臂內滾動(dòng)。

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

      推桿可能是實(shí)心的，也可能是空心的。在一些發(fā)動(dòng)機上，推桿的中心有一個(gè)小孔，使機油能夠通過(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(lèi)型的推桿端部形狀。

三、搖臂類(lèi)型與結構

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)程中提供一定的機械效率。如圖9所示，當挺柱和推桿向上運動(dòng)時(shí)，搖臂繞著(zhù)中心支點(diǎn)轉動(dòng)，這樣導致氣門(mén)一側的運動(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(cháng)臂，另一端制成短臂。長(cháng)臂端與氣門(mén)腳接觸，短臂端的上部有調整螺釘，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(cháng)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

      對于一些發(fā)動(dòng)機，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(chēng)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

      搖臂的設計和安裝有多種方式。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)機的搖臂采用這樣的方式：凸輪軸在搖臂的頂部直接驅動(dòng)搖臂，如圖10（b）所示。采用這種機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。