凸轮轴:功能、类型、部件、结构图、工作原理

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凸轮轴：功能、类型、部件、结构图、工作原理

编辑日期：2024-07-28

凸轮轴：功能、类型、部件、结构图、工作原理

凸轮轴

在四冲程发动机中，凸轮轴负责控制气门的适时启闭，协助完成发动机工作循环内的各个过程。

它由发动机曲轴驱动，通常布置在发动机上部。

凸轮轴上凸轮的尺寸和数量，会根据发动机排量和气缸数的不同而有所差异。

继续阅读，了解其功能、结构、类型、工作原理等更多内容。

本文将介绍：
•	什么是凸轮轴？
•	组成部件
•	凸轮轴如何驱动气门工作？
•	凸轮轴的功能
•	凸轮轴的类型
•	三种凸轮轴驱动机构
•	制造工艺

什么是凸轮轴?

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，排气凸轮控制排气门。

凸轮轴位于内燃机顶部的气缸盖内部。除凸轮外，凸轮轴还带有轴承轴颈，用于支撑自身运转。

DOHC (Double overhead camshaft) of V engine

部分发动机将进气凸轮与排气凸轮集成在同一根轴上。SOHC（单顶置凸轮轴）发动机的每列气缸仅使用一根凸轮轴。而有些发动机则将进气凸轮与排气凸轮分别布置在独立轴上，DOHC（双顶置凸轮轴） 发动机的每列气缸使用两根凸轮轴。

因此，发动机可采用单根或多根凸轮轴。采用 DOHC 结构的 V 型发动机共有4 根凸轮轴，即每列气缸各配备两根。

部件组成

内燃机中的凸轮轴主要由以下部分组成：

（A）凸轮（Cam）

凸轮旋转以驱动气门挺柱。凸轮的偏心轮廓控制气门在合适的时长内开启和关闭。凸轮的形状根据开启持续时间和所用挺柱类型（平底 / 滚轮）而不同。

凸轮轮廓分为以下区域：与挺柱（从动件）接触的凸轮表面可分为凸轮基段和凸轮桃形段。

·凸轮基段（Cam heel）

当挺柱在凸轮基段上运动时，挺柱无垂直位移。该区域内气门不会被顶起，因此气门保持关闭。

·凸轮桃形（Cam lobe）

凸轮桃形负责气门的开启与关闭。当挺柱经过桃形表面时，会产生垂直运动，从而实现气门的开闭。

·基圆（Base circle）

以凸轮中心为圆心、与凸轮基段相切的圆。

·凸轮升程（Cam lift）

等于挺柱移动的垂直距离，也叫桃形升程，即桃形最高点相对于基圆的高度。

·桃尖（Nose）

凸轮轮廓上最大升程的位置点。

·桃形夹角 / 凸轮夹角（Lobe separation angle）

进气凸轮与排气凸轮的相对位置用该角度表示，即同一气缸的进气桃形中心线与排气桃形中心线之间的夹角。

（B）凸轮轴轴颈（Camshaft Bearing journal）

凸轮轴的该部分装入凸轮轴轴承中，用于支撑凸轮轴。

（C）轴体（Shaft）

所有凸轮和轴颈均安装在轴体上。轴体需具备较高的抗扭刚度，因为凸轮轴扭转会直接影响配气正时。

（D）凸轮轴轴承（Camshaft bearings）

用于支撑凸轮轴。多缸发动机的凸轮轴会在不同位置设置多个轴承，以承受动态载荷。

（E）驱动齿轮 / 链轮（Drive gear / Sprocket）

凸轮轴一端用于安装驱动齿轮或链轮，通过齿轮、链条或皮带由曲轴驱动。

（F）止推板（Thrust plate）

作用是限制凸轮轴的轴向（水平）窜动。凸轮桃形与挺柱相互作用会产生轴向推力，导致凸轮轴轴向移动。

止推板安装在正时齿轮前方的凸轮轴上，并固定在发动机缸体上，将凸轮轴轴向定位。

凸轮轴如何驱动气门工作？

凸轮轴由曲轴通过正时皮带或正时链条驱动。如上图所示，凸轮轴上的凸轮经过特殊设计，能够在正确时刻、以正确时长控制各气缸气门的启闭。

凸轮推动挺柱（从动件）运动，挺柱再依次连接推杆和摇臂，最终驱动气门动作。

当挺柱经过凸轮基段时，挺柱不会产生垂直位移，气门保持关闭状态。当挺柱经过凸轮桃形时，挺柱产生垂直位移，从而实现气门的开启与关闭。

凸轮轴的功能:

凸轮轴在发动机中承担以下重要功能：

（1）控制气门开启凸轮轴的主要作用是适时开启和关闭进气门与排气门。

（2）精准定时开启气门在多缸发动机中，单根凸轮轴可按精确时刻驱动多个气缸的气门。这得益于配气正时机构（正时链条、正时皮带）以及凸轮轴上桃形的精准布置。所有凸轮均经过精密加工，确保各气门之间开启时刻准确协调。

（3）控制气门开启持续时间凸轮轴的桃形轮廓决定了气门开启的持续角度（以曲轴转角计），从而保证每次开启时长精准一致。

（4）气门重叠气门重叠是指进气门与排气门同时开启的状态，有利于实现扫气过程。该现象发生在排气冲程结束前几度至进气冲程开始后几度之间。进、排气门重叠，是由凸轮轴上进气桃形与排气桃形的角度重叠设计实现的。

在 ** 单顶置凸轮轴（SOHC）中，由于进气凸轮与排气凸轮位置固定，气门重叠角也固定不变。

而在双顶置凸轮轴（DOHC）** 中，进、排气门由独立凸轮控制，因此气门重叠角可以调整。

凸轮轴的类型

凸轮轴可按不同标准分类如下：

（A）按每列气缸的凸轮轴数量分类:

1. 单顶置凸轮轴（SOHC）

该机构采用一根凸轮轴同时控制进气门和排气门。凸轮轴大多布置在进、排气门中间，因此必须通过摇臂来驱动气门。

2.双顶置凸轮轴（DOHC）

该机构采用两根独立凸轮轴，分别控制进气门和排气门。DOHC 结构可以实现可变气门正时。其另一优点是凸轮直接布置在气门上方，无需摇臂。

但由于多一根凸轮轴，气缸盖占用空间比 SOHC 更大，发动机会更笨重。

（B）按所用挺柱类型分类:

1. 平底挺柱式凸轮轴

此类凸轮轴用于驱动平底挺柱。与滚轮挺柱相比，平底挺柱的摩擦更大。下图显示了平底与滚轮式凸轮轴的凸轮轮廓差异。

2. 滚轮挺柱式凸轮轴

此类凸轮轴用于驱动滚轮挺柱。滚轮挺柱带有轴承或滚轮，与凸轮表面接触。为滚轮挺柱设计的凸轮桃形，在最大升程处轮廓更圆润（见上图）。

因此，挺柱在滚轮凸轮面上能更长时间保持最大升程位置，气门也能更长时间处于全开状态。

（C）按气缸数量分类:

凸轮轴的尺寸也会随一列气缸的数量而变化，例如：单缸、双缸，甚至六缸凸轮轴。

三种凸轮轴驱动机构:

凸轮轴由曲轴驱动，转速为曲轴的一半。
凸轮轴必须保证进气门和排气门在正确时刻开启和关闭，即气门动作要与燃烧循环中活塞的位置相匹配。
活塞位置与气门开启之间的配合，通过以下三种驱动机构之一实现：
（a）正时皮带：采用齿形皮带，套在安装于凸轮轴和曲轴上的同步带轮上运转。
（b）正时链条：该机构采用链传动，通过链轮连接凸轮轴与曲轴并实现传动。
（c）正时齿轮：该机构采用齿轮直接连接曲轴与凸轮轴。
上述所有驱动机构都必须不发生打滑，以免破坏配气正时。

制造方法:

以下是几种常见的凸轮轴制造工艺：

（1）铸造：该工艺采用铸铁合金铸造成型凸轮轴毛坯，后续再进行机加工与热处理。

（2）锻造：凸轮轴也可通过冷锻或热锻制造。将坯料在锻模中加压成型，得到凸轮轴粗坯，再经机加工达到最终尺寸。

（3）机械加工：直接从金属棒料 / 坯料通过切削加工制成凸轮轴。切除坯料上多余材料，最终加工成凸轮轴形状。

热处理：

机加工完成后，凸轮轴会进行热处理（表面硬化）。

凸轮表面与挺柱之间存在摩擦，容易产生磨损，缩短凸轮轴使用寿命。因此为提高凸轮表面的耐磨性，需对其进行表面硬化处理。常用的表面硬化方法有感应淬火和渗氮。