康明斯动力（深圳）有限公司

摘要：气门传动机构由凸轮轴驱动的挺柱、推杆和摇臂组成，其工作原理是凸轮轴通过齿轮传动带动气门杆上下运动，使气门开启或关闭。当凸轮轴上的凸轮与气门杆接触时，气门杆被抬起，气门打开；当凸轮轴上的凸轮离开气门杆时，气门杆被弹簧压缩，气门关闭。气门的开启和关闭时间由凸轮轴上凸轮的形状和位置决定，这也是发动机的设计者根据不同的工作条件和要求来设计凸轮轴的重要依据。

一、挺柱类型和结构

      当凸轮轴转动时，为了避免凸轮凸尖顶动气门时的横向力直接作用在气门脚上，造成气门杆单向磨损，使气门关闭不严，因此在气门与凸轮轴间装有气门挺柱。气门挺柱也称作挺柱。用于跟随凸轮轴上凸轮的轮廓进行运动。气门挺柱直接由凸轮轴驱动，将凸轮轴的旋转运动转变为往复运动，以打开和关闭气门。发动机上的挺柱有多种类型，包括整体滑动式挺柱、凸轮随动杆（滚轮式挺柱）、滚轮臂式和液压式挺柱。

1、整体滑动式挺柱

      整体式挺柱以一个整体零件的形式传递运动，它在小型发动机上常见，位置如图1所示。为减轻推杆重量和运动惯性，有些整体式挺柱设计成中空的管子，而有些却设计成实心的。整体式挺柱主要在较老的发动机或一些高性能发动机上使用。它的一个缺点是噪声大，具有一种特别的敲击声。

      为了避免挺柱的单向磨损，在有些柴油发电机上，把挺柱的下端面制成球面与捎带锥形的凸轮相配合，或者把挺柱的中心线与凸轮的中心线相错开。在工作时由于中心线不相重合，在横向力的作用下便产生了扭转力矩，使挺柱在上升的同时还作旋转运动，从而达到磨损均匀的目的。

      整体式挺柱的发动机都必须有调整气门间隙的措施。通常，调整是在气门机构的摇臂部分进行的。在摇臂的一端有一个小的调整螺钉和锁紧螺母，当转动调整螺钉时，将使得摇臂增加或减小气门和摇臂之间的间隙。用塞尺检查这个间隙，并要调整到制造厂的规定值范围内。通常进、排气门间隙在0.2～0.4mm之间。如图2所示。各种机器说明书上有明确规定。

      气门接触高温气体，温度很高，尤其是排气门的温度更高。气门受热膨胀，沿气门杆伸长，气门杆越长，膨胀量越大。如果挺柱与气门脚或摇臂与气门脚之间，在传动过程中不留间隙，柴油发电机工作不久，气门就会关闭不严而漏气。因此，气门脚与挺柱间或气门脚与摇臂间要留适当的间隙，当气门受热膨胀时，使之有膨胀的余地，以免机温升高后气门关闭不严。

      若间隙因发动机使用久了或调整不当变大时会使气门升程减小，开启时间变短，造成进气不足或排气不充分，发动机功率下降。同时，气门脚冲击负荷增加，加速磨损。若间隙太小时，会出现气门关闭不严，发生漏气造成压缩不良的后果。所以，在柴油发电机工作一段时间后，要进行气门间隙的校准。

图1  柴油机气门传动机构工作原理图

图2  气门间隙调整示意图

2、滚轮式挺柱

      滚轮式挺柱是在其下端安装一个小滚轮，如图3（a）所示。这样在凸轮顶到滚轮时，滚轮在凸尖的曲线上滚动，减小了挺柱或凸轮间的直接磨损。

      凸轮随动件或滚轮挺柱有时用来代替整体式挺柱，它们通过滚轮在凸轮轴上滚动凸轮随动件，有时用凸轮随动件代替挺柱。它与整体式挺柱很相似，唯一的区别是：凸轮随动件通过滚轮在凸轮轴上滚动，而不是通过金属滑动。凸轮随动件降低了摩擦力，而且载荷分配更均匀。它们主要用在高压缩比的发动机上，如柴油发动机和赛机发动机。

      凸轮随动件的一端装着滚轮，另一端是加工面，以便能够插入推杆。凸轮随动件的侧面还加工了一个小沟槽。通常，挺柱座孔内有一个小销子与这个沟槽配合。这种设计减小了凸轮随动件在其座孔内转动的可能。这种挺柱有多种结构，一种最常见的如图3（b）示。在这种结构中，滚轮直接在凸轮轴上滚动，推杆装在凸轮随动件中。采用这种凸轮随动件的发动机也具有一个可调整的气门组间隙。

3、滚轮臂式挺柱

      在凸轮和挺柱之间用一带滚轮的摇臂代替挺柱，称为滚轮臂，其结构如图4所示。滚轮臂的一端套在与凸轮轴相平行的轴上，此轴称为滚轮轴。用滚轮臂代替挺柱可以减小凸轮轴对挺柱的侧向压力和挺柱的往复惯性力。

4、液压式挺柱

      液压挺柱（杆）可以减小噪声，并可控制气门的间隙。液压挺柱通过油压使气门间隙保持为零，其主要零件如图5所示。液压挺柱主要由挺柱壳体、油孔、柱塞弹簧、弹簧座、弹簧、单向球、柱塞、计量阀、挺柱座、锁环组成。液压挺柱的内部零件安装在挺柱壳体内，柱塞在壳体内上下移动。顶置凸轮轴发动机液压挺柱的工作过程，摇臂直接推动挺柱。通常在顶置凸轮轴的发动机上，挺柱直接装在凸轮轴的上方。

（1）凸轮凸部举升之前的情况如图6（a）所示。在凸轮凸部开始举升之前，柱塞被内部回位弹簧向上顶起。机油从挺柱腔流向凹进部位，称为泄油区。挺柱内的机油压力来自发动机的润滑系统。此时，高压腔内充满了机油，气门机构中的所有间隙都被机油压力消除。机油要通过单向球，此单向球只允许机油向一个方向通过。如果机油试图从高压进入柱塞，将被单向球截止。一些挺柱采用单向阀而不是单向球，但原理是相同的。

（2）当凸轮凸部开始举升挺柱时，如图6（b）所示，气门弹簧的压力（通过摇臂可以看得出来）试图阻止柱塞向上移动。但是，挺柱的壳体被凸轮凸部举起，这导致挺柱内高压腔内的油温升高。随着凸轮继续举升挺柱的壳体，高压将挺柱锁止成一个整体，从而迫使气门打开。随后，从柱塞和壳体之间的间隙中泄漏出少量的机油，从而使柱塞稍稍向下移动一点点，这就叫作“泄漏”（Leak down）。泄漏非常重要，它由柱塞和壳体间的间隙精确地控制，其目的是使气门弹簧的压力能够向下将柱塞推到壳体中。

（3）随着凸轮的继续转动，挺柱壳体上的压力降低，这是因为凸轮的凸部已经转过挺柱。随着油压的降低，气门在气门弹簧的压力作用下关闭，挺柱的柱塞和壳体也回到初始的位置。机构中的所有间隙再次被油压消除。当挺柱到达图6（c）所示的位置时，就已准备好重复以上工作循环。

二、推杆的类型与结构

      推杆是气门挺柱和摇臂组之间的传动杆，推杆的重量要尽量地轻，推杆用铝合金（或钢）制成，结构如图7所示。为了减小运动惯性，多将推杆制成空心。铝合金推杆的两端用经过热处理的钢质材料镶入，以增加耐磨性。有些机器的推杆中间有射油孔，用以润滑摇臂。有些推杆的顶部还有小的凸球，这些凸球在挺柱和摇臂内滚动。

      只有凸轮轴内置于缸体的发动机才使用推杆，顶置凸轮轴式发动机不需要推杆。

      推杆可能是实心的，也可能是空心的。在一些发动机上，推杆的中心有一个小孔，使机油能够通过液压挺柱流到汽缸盖的上部。整体式挺柱的推杆两端没有凸球，而是采用凹面。这个凹面端与摇臂上的小球相配合，如图7所示，几种不同类型的推杆端部形状。

三、摇臂类型与结构

1、摇臂的作用

      摇臂的作用有两个：一是改变凸轮举升力的方向；二是在气门举升过程中提供一定的机械效率。如图9所示，当挺柱和推杆向上运动时，摇臂绕着中心支点转动，这样导致气门一侧的运动方向发生改变。这种方向的改变使得气门向下打开。摇臂装在汽缸盖的摇臂轴上，用碳素钢或合金钢制成。它的一端制成长臂，另一端制成短臂。长臂端与气门脚接触，短臂端的上部有调整螺钉，下部和气门推杆相接，摇臂轴到摇臂两端的距离是不相等的。摇臂的一端制成长臂的好处是，可以减小凸轮的尺寸，而又不使气门的升程减小。

2、摇臂传动比

      对于一些发动机，很重要的一点是要求气门的打开程度要比凸轮凸部的实际升程大。通过改变支点到摇臂两端的距离即可实现这一点，即摇臂两端到支点的距离不相等，如图10（a）所示。从点A到支点的距离小于从点B到支点的距离，这两个距离的比就称作摇臂传动比。在这个例子中，传动比是1.5：1，这就是说，气门打开的距离是凸轮凸部的实际升程的1.5倍。

3、摇臂型式

      摇臂的设计和安装有多种方式。有些安装在摇臂轴上，在这种装配形式中，要用到弹簧、垫圈、各个摇臂和螺栓等，如图11所示。另外一些摇臂用螺柱直接安装的缸盖上。

      一些顶置凸轮轴发动机的摇臂采用这样的方式：凸轮轴在摇臂的顶部直接驱动摇臂，如图10（b）所示。采用这种机械布置形式的凸轮轴，气门的打开距离要比凸轮轴的凸轮升程稍大一些。