凸轮轴：功能、类型、零件、图解、工作原理

凸轮轴是一根带有凸轮的圆柱形轴，用于控制发动机进气门和排气门的开启。

凸轮轴上的进气凸轮控制进气门，而排气凸轮控制排气门。

凸轮轴位于内燃机顶部的气缸盖内。除了凸轮外，凸轮轴还具有轴承轴颈以支撑凸轮轴。

有些发动机在同一根轴上同时具有进气凸轮和排气凸轮。SOHC（单顶置凸轮轴）发动机每排气缸使用一根凸轮轴。而有些发动机的进气凸轮和排气凸轮分别位于独立的轴上。DOHC（双顶置凸轮轴）发动机每排气缸使用两根凸轮轴。

因此，发动机可以使用单根或多根凸轮轴运行。配备DOHC的V型发动机有4根凸轮轴，即每排气缸两根凸轮轴。

内燃机中的凸轮轴由以下主要零件组成：

(A) 凸轮：

凸轮旋转以驱动气门挺柱。凸轮的偏心轮廓在正确的持续时间内开启和关闭气门。凸轮的形状根据开启持续时间和所使用的挺柱类型（平底/滚子）而变化。

凸轮轮廓由以下区域组成：

凸轮与挺柱（从动件）接触的表面可分为凸轮基圆部分和凸轮桃尖部分。

凸轮基圆：工作时，当挺柱（从动件）在凸轮基圆部分上移动时，挺柱没有垂直运动。凸轮基圆是挺柱没有升程的凸轮部分。因此气门保持关闭。

凸轮桃尖：凸轮桃尖负责气门的开启和关闭。当挺柱经过凸轮桃尖表面时，它沿垂直方向移动。这导致气门的开启和关闭运动。

基圆：是从凸轮中心画出的、与凸轮基圆表面相切的圆。

凸轮升程：等于挺柱（从动件）移动的垂直距离。也称为桃尖升程，即凸轮桃尖从基圆算起的高度。

桃尖顶：是凸轮轮廓上最大升程处的点。

桃尖分离角：进气凸轮和排气凸轮的相对位置用桃尖分离角表示。它给出同一气缸的进气凸轮桃尖和排气凸轮桃尖中心线之间的角度。

(B) 凸轮轴轴承轴颈：

凸轮轴的这一部分装入凸轮轴轴承中。凸轮轴在轴承轴颈处得到支撑。

(C) 轴体：

所有凸轮和凸轮轴承轴颈都安装在轴体上。它具有较高的扭转刚度，因为凸轮轴的扭转会影响气门正时。

(D) 凸轮轴轴承：

凸轮轴轴承的作用是支撑凸轮轴。在多缸发动机中，凸轮轴在不同位置使用多个轴承来承受动态载荷。

(E) 驱动齿轮/链轮：

凸轮轴的一端设有安装驱动齿轮或链轮的位置。它由曲轴通过链条/皮带/齿轮驱动。

(F) 止推板：

止推板的作用是阻止凸轮轴的轴向（水平）运动。止推力由凸轮桃尖与挺柱之间的相互作用产生。该力沿凸轮轴的轴向方向作用。这导致凸轮轴沿轴向方向移动。

止推板安装在凸轮轴上正时齿轮之前，并固定在发动机缸体上。该板将凸轮轴固定在发动机缸体上。

凸轮轴由曲轴通过正时皮带或正时链条驱动。如上图所示，凸轮轴上的凸轮结构使其能够在正确的时间和正确的持续时间内操作每个气缸的气门。

凸轮驱动挺柱（从动件）。挺柱进一步与推杆、摇臂连接以操作气门。

当挺柱经过凸轮基圆表面时，挺柱不会沿垂直方向移动，气门保持关闭状态。当挺柱经过凸轮桃尖表面时，挺柱沿垂直方向移动，从而使气门开启和关闭。

凸轮轴在发动机中执行以下重要功能：

(1) 控制气门开启：凸轮轴的主要作用是在正确的时间开启和关闭进气门和排气门。

(2) 在精确的时间开启气门：在多缸发动机中，单根凸轮轴在精确的时间驱动多个气缸的气门。这归功于气门正时机构（正时链条、正时皮带）和凸轮桃尖在凸轮轴上的精确位置。

所有凸轮都在凸轮轴上精密制造，这确保了气门相对于彼此在精确的时间开启。

(3) 在精确的持续时间内开启气门：凸轮轴的桃尖轮廓决定了气门开启的持续时间（以曲轴角度计）。因此每次气门都在精确的持续时间内开启。

(4) 气门重叠：气门重叠是指排气门和进气门同时保持开启的情况。这有助于扫气过程。

它发生在排气冲程结束前几度和吸气冲程开始后几度。

进气门和排气门之间的重叠是由于凸轮轴上进气桃尖和排气桃尖的重叠造成的。

在单顶置凸轮轴中，由于进气凸轮和排气凸轮的位置是固定的，因此在这些凸轮轴中气门重叠是固定的。而在双顶置凸轮轴中，进气门和排气门由独立的凸轮操作。因此在该系统中，进气门和排气门之间的重叠可以调节。

凸轮轴按不同依据分类如下：

(A) 按每排气缸的凸轮轴数量分类：

1. 单顶置凸轮轴（SOHC）：该系统使用单根凸轮轴来控制进气门和排气门。

在此，凸轮轴主要放置在进气门和排气门的中间。因此该系统必然需要摇臂来驱动气门。

2. 双顶置凸轮轴（DOHC）：该系统使用两根独立的凸轮轴来控制进气门和排气门。DOHC系统可实现可变气门正时。

使用DOHC的另一个优点是不需要摇臂，因为凸轮安装在气门上方。

但由于额外的凸轮轴，该系统与SOHC相比在发动机缸盖中占用更多空间。因此使发动机更加庞大。

(B) 按所使用的挺柱类型分类：

1. 平底挺柱凸轮轴：这些凸轮轴设计用于驱动平底挺柱。与滚子挺柱相比，平底挺柱承受更大的摩擦。见下图，显示了平底和滚子挺柱凸轮轴中凸轮轮廓的差异。

2. 滚子挺柱凸轮轴：这些凸轮轴设计用于驱动滚子挺柱。滚子挺柱具有与凸轮表面接触的轴承或滚子。

为滚子挺柱设计的凸轮桃尖在最大升程处具有更圆润的轮廓（见上图）。因此在滚子凸轮表面上，挺柱在最大升程位置停留更长时间。因此在滚子挺柱凸轮轴中，气门在全开状态（最大升程）下保持更长时间。

(C) 按气缸数量分类：

凸轮轴的尺寸也根据气缸排中使用的气缸数量而变化，即单缸、两缸甚至六缸凸轮轴。

凸轮轴由曲轴以曲轴一半的速度驱动。

凸轮轴必须以这样的方式运行，使进气门和排气门在正确的时间开启和关闭。这意味着气门应根据燃烧循环中活塞的位置开启和关闭。

活塞位置与气门开启之间的协调通过以下三种驱动方式之一实现。

(a) 正时皮带：它有一根齿形皮带，在安装于凸轮轴和曲轴上的齿形皮带轮上运行。

(b) 正时链条：该机构使用链条传动，在安装于凸轮轴和曲轴上的链轮上运行。

(c) 正时齿轮：该机构使用齿轮连接曲轴和凸轮轴。

上述任何驱动机构中都不得发生打滑，以避免干扰气门正时。

以下是用于生产凸轮轴的一些不同方法：

(1) 铸造：该方法用于用铸铁合金铸造凸轮轴。随后这些凸轮轴经过机械加工和热处理。

(2) 锻造：凸轮轴也通过冷锻或热锻制备。在该方法中，将材料坯料压入锻模中以获得粗成形的凸轮轴。然后进行机械加工以获得最终尺寸。

(3) 机械加工：在该方法中，凸轮轴仅通过机械加工工艺从金属坯料制备。通过机械加工去除金属坯料上多余的材料，以获得凸轮轴的最终形状。

热处理：

机械加工后，凸轮轴经过热处理（表面硬化）工艺。凸轮表面由于凸轮表面与挺柱之间的摩擦而磨损。这降低了凸轮轴的寿命。因此为了提高凸轮表面的耐磨性，对凸轮轴进行表面硬化。感应淬火、氮化是用于凸轮轴表面硬化的方法。