第二节 气门组

气门组在配气机构中相当于一个阀门，作用是准时接通和切断进排气系统与气缸之间的通道。气门组一般由气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座、油封及锁片等组成，如图3-12所示。

气门组应保证气门能够实现气缸的密封，因此应满足以下要求：气门头部与气门座贴合严密；气门导管与气门杆的上下运动有良好的导向；气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜；气门弹簧的弹力足以克服气门及其传动件的运动惯性力，使气门能迅速开闭，并保证气门紧压在气门座上。

图3-12 气门组结构

一、气门

气门的作用是封闭进、排气通道。气门的工作条件十分恶劣，气门头部的工作温度很高。排气门温度最高可达600～800℃，进气门由于受到新鲜空气的冷却温度稍低，温度可达300～400℃。其次，气门头部要承受气体压力、气门弹簧力及传动组零件惯性力的作用；气门冷却和润滑条件差；还要接触气缸内燃烧生成物中的腐蚀介质。因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热、耐腐蚀和耐磨能力。但是由于进、排气门的工作条件有所不同，因此使用的材料也有所区别。进气门的材料一般采用合金钢（如铬钢或镍铬钢等），排气门由于热负荷大，一般采用耐热合金钢（硅铬钢、硅铬钼钢等）；有的排气门为了降低成本，头部采用耐热钢，而杆部用铬钢，然后将二者焊在一起。

一般每缸两气门的发动机，即一个进气门和一个排气门。进气门头部直径比排气门大15%～30%，目的是增大进气通过断面的面积，减小进气阻力，增加进气量。凡是进气门和排气门数量相同时，进气门头部直径总比排气门大。每缸两气门的发动机又称两气门发动机。

气门由头部和杆部两部分组成，如图3-13a所示，气门头部与气门座配合实现密封气缸的进、排气通道的作用，气门杆部则主要为气门的运动导向。

（1）气门头部 气门头部由顶部和密封锥面组成。如图3-13b所示为气门顶面形状。

图3-13 气门结构

a）气门结构及各部名称 b）气门顶面形状

1）气门顶部有平顶、凹顶、凸顶等形状。平顶气门具有结构简单，制造容易，吸热面积较小、质量小等优点，多数发动机的进、排气门均采用此结构。凸顶气门头部刚度大，用作排气门时，排气阻力较小，但受热面积大，质量大，加工也比较复杂。凹顶气门头部与气门杆有较大的过渡圆弧，用作进气门时，可以减小进气阻力，而且凹顶气门具有较大的弹性，能较好地适应气门座圈的变形。但其受热面积大，不适合用作排气门。

2）气门密封锥面。气门与气门座或气门座圈之间是靠锥面密封的。气门锥面与气门顶面之间的夹角称气门锥角，如图3-14所示。进排气门的气门锥角一般均为45°，只有少数发动机采用进气门锥角30°。在气门升程H和气门头部直径相同的情况下，气门通过断面的大小取决于h。显然，进气门锥角较小时，气门通过断面较大，进气阻力较小，可以增加进气量。但是，气门锥角小，其气门头部边缘较薄，刚度较差，容易变形，致使气门与气门座圈之间的密封性变差。较大的气门锥角可提高气门头部边缘的刚度。气门落座时有较好的自动对中作用，与气门座圈有较大的接触压力等。这些都有利于气门与气门座圈之间的密封和传热，并有利于挤掉密封锥面上的积炭。

气门头部接受的热量一部分经气门座圈传给气缸盖；另一部分则通过气门杆和气门导管也传给气缸盖，最终都被气缸盖水套中的冷却液带走。为了增强传热，气门与气门座圈的密封锥面必须严密贴合。为此，二者要配对研磨，研磨之后不能互换。为了同样的目的，由气门头向气门杆过渡部分的几何形状应该圆滑，气门杆与气门导管之间的配合间隙应尽可能小，以减小热阻。

气门顶边缘与气门密封锥面之间应有一定的厚度，一般为1～3mm，以防止在工作中受冲击损坏或被高温气体烧坏。

（2）气门杆 气门杆与气门导管配合，为气门开启与关闭过程中的上下运动导向。气门杆为圆柱形，发动机工作时，气门杆在气门导管中不断上下往复运动，而且润滑条件极为恶劣。因此，要求气门杆与气门导管有一定的配合精度和耐磨性，气门杆表面都经过热处理和磨光，气门杆与头部之间的过渡应尽量圆滑，以减小应力集中，还可以减少气流阻力。

在某些高度强化的发动机上采用中空气门杆的气门，旨在减轻气门质量和减小气门运动的惯性力。为了降低排气门的温度，增强排气门的散热能力，在许多汽车发动机上采用钠冷却气门，如图3-15所示。这种气门是在中空的气门杆中填入一半金属钠。因为钠的熔点是97.8℃，沸点为880℃，所以在气门工作时，钠变成液体，在气门杆内上下激烈地晃动，不断地从气门头部吸收热量并传给气门杆，再经气门导管传给气缸盖，使气门头部得到冷却。

图3-14 气门锥角及其对气门通过断面的影响

图3-15 充钠排气门

（3）气门弹簧座的固定 气门杆的尾部可用以固定气门弹簧座，其结构随弹簧座的固定方式不同而异。常见的有锥形锁片式。

锥形锁片式固定采用剖分结构。两半锁片合装在一起形成一个完整的外圆锥结构的弹簧座，内孔有一环形凸起。安装时，用专用工具将弹簧座连同气门弹簧压下，将两片锁片套于气门杆尾部合并在一起，环状凸起正好卡在气门杆尾端的环形槽内。放松弹簧座，由于弹簧的弹力作用，锁片的圆锥面与弹簧座锥孔紧紧地贴合在一起，不会脱落。

二、气门座

进、排气道口与气门密封锥面直接贴合的部位称为气门座。其功用是与气门头部一起对气缸起密封作用，同时接受气门头部传来的热量，起到对气门散热的作用。

铝气缸盖和大多数铸铁气缸盖均镶嵌由合金铸铁或粉末冶金或奥氏体钢制成的气门座圈如图3-16所示。在气缸盖上镶嵌气门座圈可以延长气缸盖的使用寿命。也有一些铸铁气缸盖不镶气门座圈，直接在气缸盖上加工出气门座。

气门座圈是单独制成的零件，以一定的过盈量压入气缸盖上的座孔中，气门座圈的外圆面可以是圆柱面，也可以是锥角不超过12°的圆锥面。在气门座圈的外圆面上加工有环形槽，当气门座圈压入座孔后，气缸盖材料由于塑性变形而嵌入环形槽内，可以防止气门座圈脱落。

气门座或气门座圈的锥角与气门锥角相适应。一般气门锥角比气门座锥角小0.5°～1°，如图3-17a所示。其作用是使二者不以锥面的全宽接触，这样可以增加磨合，并能切断和挤出二者之间的任何积垢或积炭，保持锥面良好的密封性。但是，若在气门锥面上涂敷铬钴耐磨合金，气门座或气门座圈经过电感应法硬化处理后，气门与气门座圈则采用相同的锥角，如图3-17b所示。

图3-16 气门座圈

图3-17 气门和气门座锥角

三、气门导管

气门导管的功用是对气门的运动导向，保证气门进行直线往复运动，使气门与气门座或气门座圈能正确贴合。此外，还将气门杆接受的热量部分地传给气缸盖。

当气门杆在导管中运动时，温度可高达约500K。润滑也仅靠配气机构飞溅出来的机油进行，因此气门导管易磨损。为了改善气门导管的润滑性能，气门导管一般用含石墨较多的铸铁或粉末冶金制成，以提高自润滑性能。在以一定的过盈量将气门导管压入气缸盖上的气门导管座孔之后，再精铰气门导管孔，以保证气门导管与气门杆的正确配合间隙。

一般气门导管上端孔口不倒角，以减少进入导管孔内的机油量，如图3-18a所示。排气门导管下端孔加工有排渣槽，以便刮除排气门杆上的沉积物或积炭，如图3-18b所示。有的气门导管在外圆面上加工有卡环槽，嵌入卡环，防止气门导管工作时松落，如图3-18a所示。

气门杆与气门导管孔需要润滑，但进入气门导管孔内的机油又不能太多，否则将使机油消耗量增加。为了控制和减少机油的消耗量，现在汽车装有气门油封，如图3-19所示。

图3-18 气门导管

图3-19 气门油封

四、气门弹簧

气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。

气门弹簧承受交变载荷，为保证其可靠的工作，气门弹簧应具有合适的刚度和足够的抗疲劳强度。通常气门弹簧采用高碳锰钢、铬钒钢等优质冷拔弹簧钢丝制造，并经热处理。为了提高其疲劳强度，钢丝表面经抛光或喷丸处理。为了避免弹簧锈蚀，弹簧表面应镀锌、磷化或发蓝。弹簧的两个端面必须磨光并与弹簧轴线相垂直。

气门弹簧一般为等螺距圆柱形螺旋弹簧，如图3-20a所示。当气门弹簧的工作频率与其固有的振动频率相等或为整数倍时，气门弹簧就会发生共振。共振时将使配气定时遭到破坏，使气门发生反跳和冲击，甚至使弹簧折断。为防止共振的发生，可采取下列结构措施：

1）采用双气门弹簧。在柴油机和高性能汽油机上广泛采用每个气门安装两个直径不同，旋向相反的内、外弹簧。由于两个弹簧的固有频率不同，当一个弹簧发生共振时，另一个弹簧能起到阻尼减振作用。采用双气门弹簧可以减小气门弹簧的高度，而且当一个弹簧折断时，另一个弹簧仍可维持气门工作。弹簧旋向相反，可以防止折断的弹簧卡入另一个弹簧圈内使其不能工作或损坏。

图3-20 气门弹簧

2）采用变螺距气门弹簧。如图3-20b所示，高性能汽油机采用变螺距单气门弹簧。变螺距弹簧的固有频率不是定值，从而可以避开共振。

3）采用锥形气门弹簧。如图3-20c所示，锥形气门弹簧的刚度和固有振动频率沿弹簧轴线方向是变化的，因此可以消除发生共振的可能性。

安装变螺距气门弹簧和锥形气门弹簧时，应该使螺距小的一端和锥形大端朝向不动的气缸盖顶面。