凸轮轴：汽车发动机中的关键部件，你了解其原理与制造吗？
凸轮轴：汽车发动机中的关键部件，你了解其原理与制造吗？
在汽车发动机的精密机械系统中，凸轮轴担任着举足轻重的角色。它静默地掌控着气门的启闭，其性能的优劣与精度的高低，直接关乎发动机的动力输出、燃油消耗率以及尾气排放。对于热爱机械及汽车行业的朋友们来说，深入探究凸轮轴的工作原理、内部构造、类型划分以及制造流程等细节，将有助于更深入地理解发动机的运作机理，同时也能提升对车辆维护与性能优化的能力。接下来，我们将详细探讨凸轮轴如何通过其独特的设计来控制气门的启闭。
与曲轴的配合关系
在四冲程发动机中，凸轮轴的旋转速度通常是曲轴旋转速度的一半。这种精确的传动比关系是通过正时皮带、正时链条或齿轮来实现的，确保气门在活塞运动的恰当时机开启或关闭。例如，在进气冲程时，进气门需在活塞下移时开启，引入新鲜空气；而在压缩和做功冲程中，气门则应保持封闭；排气冲程时，排气门则在活塞上移时开启，排出废气。
凸轮的设计与功能
凸轮是凸轮轴的核心部件，其形状和尺寸决定了气门的运动轨迹，包括升程、开启时长以及开闭时刻。不同发动机对凸轮轮廓的需求各异，高性能发动机可能偏好大升程和长开启时间的凸轮，以提升进气量和功率，但可能会牺牲部分低转速性能和稳定性。此外，凸轮表面需经过精细加工和热处理，以增强耐磨性和抗疲劳性。
轴颈的结构与作用
凸轮轴的轴颈负责支撑其在发动机缸体或缸盖内的旋转。轴颈的尺寸和精度对确保凸轮轴的稳定旋转至关重要。适当的轴颈直径和圆柱度能减少摩擦和磨损，并维持凸轮轴与缸体或缸盖之间的恰当间隙。部分发动机还会在轴颈上设置油孔，以实现润滑和冷却。
驱动方式的选择
根据发动机的设计，凸轮轴的一端会配备驱动齿轮、链轮或带轮，与正时传动系统相连，以接收曲轴的动力。齿轮传动虽精度高、可靠性好，但噪音相对较大；链轮和正时链条的组合则在现代发动机中较为普遍，它们能在一定程度上降低噪音并具备良好的耐久性；而正时皮带传动则较为安静，但需定期更换。
凸轮轴的布置类型
顶置凸轮轴（OHC）是一种常见的布置方式，其中凸轮轴位于气缸盖上方，直接或通过摇臂驱动气门。这种布置方式有助于减少气门传动部件的惯性，提升气门的响应速度，从而有利于发动机在高转速下的性能表现。
OHC，即顶置凸轮轴，是发动机中常见的凸轮轴布置方式。它分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种类型。SOHC设计简单，常用于经济型发动机，一根凸轮轴通过摇臂来控制进、排气门的开闭。而DOHC则更为复杂，为每个气缸配备两根凸轮轴，分别控制进气门和排气门，这种设计在高性能发动机中广泛采用，能更精确地控制气门正时。
此外，还有侧置凸轮轴（OHV）的设计，其特点是凸轮轴位于气缸体一侧，通过挺杆和推杆驱动气门。这种结构相对简单，但气门传动部件较多且惯性较大，不利于发动机在高转速下的性能。因此，现在主要应用于老式发动机或特定用途的发动机。
从材料和制造工艺角度看，凸轮轴可分为铸铁凸轮轴、锻造钢凸轮轴和合金凸轮轴。铸铁凸轮轴成本低、耐磨性好，适用于对性能要求不高的发动机。但密度较大，可能增加发动机重量，在高强度工作条件下性能可能受限。锻造钢凸轮轴则具有高强度和韧性，能承受大负荷，常用于高性能发动机。其内部组织致密，抗疲劳和抗磨损能力强，可通过表面处理如氮化处理进一步提升性能。合金凸轮轴如钛合金等，具有重量轻、强度高、耐高温等优点，但成本较高，主要应用于高端赛车发动机或航空发动机等领域。
凸轮轴的制造工艺
铸铁凸轮轴的毛坯通常通过铸造工艺获得。熔化的铸铁被倒入预先设计好的模具中，待其冷却凝固后，便取出毛坯进行后续加工。另一方面，锻造钢凸轮轴的毛坯则是通过锻造工艺制成，该工艺涉及在高温下将钢坯通过压力加工成接近成品形状的毛坯。这一过程能够改善材料的内部组织，进而提升其力学性能。
车削加工是凸轮轴制造中的关键工序。在此过程中，凸轮轴的轴颈会经过车削，以确保其直径和圆柱度达到设计要求。车削需要使用高精度的车床和刀具，并严格控制切削参数，从而确保轴颈的表面质量。
磨削加工则用于进一步提高凸轮轴的尺寸精度和表面光洁度。凸轮的轮廓和轴颈都需要经过磨削处理。对于凸轮的磨削，需要使用专门的凸轮磨床，并根据设计的凸轮轮廓曲线进行精确磨削。这样，磨削后的凸轮表面粗糙度可以达到非常低的水平，从而降低与挺杆或摇臂之间的摩擦。
在某些情况下，凸轮轴可能还需要进行铣削加工，例如在凸轮轴上加工键槽或其他安装特征。铣削加工能够精确地去除材料，形成所需的形状。
热处理对于提升凸轮轴的性能至关重要。铸铁凸轮轴可能会接受淬火和回火处理，以提高其表面硬度和耐磨性。而锻造钢凸轮轴则通常接受调质处理，以改善其综合力学性能，之后还会进行表面氮化或其他表面硬化处理。氮化处理可以在凸轮轴表面形成一层硬度高、耐磨性好且具有一定耐腐蚀性的氮化层，从而显著延长凸轮轴的使用寿命。
除了热处理中的氮化处理外，凸轮轴还可以接受其他表面处理技术，如镀铬、镀钼等。这些技术旨在进一步提高凸轮轴的耐磨性、抗腐蚀性和润滑性能。例如，镀铬可以在凸轮轴表面形成一层光滑且硬度较高的镀铬层，这有助于减少摩擦和磨损。
凸轮轴的故障与维护
长期使用后，凸轮轴与挺杆、摇臂等部件之间的摩擦可能导致磨损。磨损可能会改变凸轮的轮廓，进而影响气门的正常开闭。因此，定期检查和维护凸轮轴的状态至关重要。
例如，当凸轮出现磨损时，气门升程会相应减少，导致发动机进气不足或排气不畅，进而影响发动机的功率和性能。
此外，凸轮轴在长期使用过程中可能会发生弯曲。这通常是由于发动机的异常振动、正时皮带或链条的故障所引起。一旦凸轮轴弯曲，气门与活塞之间的碰撞风险将显著增加，可能造成发动机的严重损坏。
同时，轴颈磨损也是一个需要关注的问题。轴颈磨损会增大凸轮轴与缸体或缸盖之间的间隙，不仅会引起振动和噪音，还会影响凸轮轴的旋转稳定性，进而对发动机的整体性能产生不良影响。
维护措施
定期检查
在车辆的常规保养流程中，应包含对凸轮轴的详尽检查。这涵盖了凸轮的磨损程度、轴颈的磨损及圆柱度状况，以及凸轮轴本身的弯曲度。借助量具，例如千分尺和百分表，可以精确测量这些参数。润滑保养
凸轮轴的顺畅运行离不开良好的润滑。发动机润滑系统需定期更换机油，以确保机油的品质与清洁度。同时，需密切关注机油滤清器的工作状况，防止杂质侵入润滑系统，从而加剧凸轮轴的磨损。正时系统维护
正时皮带或链条的张紧与正常运作对凸轮轴至关重要。应遵循车辆制造商的指南，定期检查并适时更换正时皮带或链条，以避免正时系统故障导致的凸轮轴损坏。
综上所述，凸轮轴作为发动机气门控制系统的枢纽，其维护涉及多个层面，包括定期检查、润滑保养以及正时系统维护。深入了解这些维护措施，对于确保发动机的稳定运行和延长其使用寿命至关重要。