什么是凸轮轴？| 凸轮轴是如何工作的？

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什么是凸轮轴？| 凸轮轴是如何工作的？

编辑日期：2023-01-19

什么是凸轮轴？| 凸轮轴是如何工作的？

凸轮轴

凸轮轴是内燃机最重要的部件之一，用于控制进气门和排气门的开启与关闭。

本文将详细介绍凸轮轴的功能、工作原理、结构组成及应用。

1.	什么是凸轮轴？
2.	凸轮轴是如何工作的？
3.	凸轮轴制造材料
4.	凸轮轴组成部件
5.	凸轮轴的类型
	5.1.	按凸轮轴所用挺柱类型分类
		5.1.1	平底挺柱凸轮
		5.1.2	滚轮式凸轮
	5.2.	按凸轮轴驱动件形状分类
		5.2.1	圆柱凸轮
		5.2.2	径向凸轮
		5.2.3	共轭凸轮
		5.2.4	弧面凸轮 / 球面蜗杆凸轮
		5.2.5	球形凸轮
		5.2.6	移动凸轮
		5.2.7	心形凸轮
		5.2.8	楔形凸轮
		5.2.9	螺旋凸轮

6.	凸轮轴损坏的原因

7.	凸轮轴的驱动机构
	7.0.1	链传动机构
	7.0.2	齿轮传动机构
	7.0.3	皮带传动机构

8.	常见问题解答
	8.01.	凸轮轴的作用是什么？
	8.02.	凸轮轴采用哪种驱动机构？
	8.03.	发动机中为什么需要凸轮轴？
	8.04.	凸轮轴的作用是什么？
	8.05.	凸轮轴有哪些应用？
	8.06.	凸轮轴损坏的征兆有哪些？
	8.07.	凸轮轴由哪些部件组成？
	8.08.	凸轮轴失效的原因有哪些？
	8.09.	凸轮轴损坏时车辆还能行驶吗？
	8.10.	选择优质凸轮轴生产厂家

1. 什么是凸轮轴？

凸轮轴是一根带有一系列凸起凸轮的轴件，用于将旋转运动转换为直线运动。

在发动机中，凸轮轴是控制内燃机进气门与排气门开启和关闭的部件。一根凸轮轴上设有多个凸轮，多为径向凸轮，用于驱动进、排气门产生位移，凸轮在进、排气门上滑动运动。

凸轮将凸轮轴的旋转运动转化为挺柱的往复运动，该轴件控制发动机内部燃油的吸入与排出。

凸轮轴的工作取决于凸轮运动与气门动作。进、排气门安装在气缸盖上，凸轮则压配在气门上方。气缸盖封闭气道孔口，控制燃油的吸入与排出，这一过程需要往复运动实现。

简单来说，凸轮是一种可将旋转运动与直线运动相互转换的机构。凸轮轴上的凸轮通过径向旋转，使挺柱沿旋转轴线垂直方向运动，从而实现气门位移。凸轮轴的位置随发动机结构设计不同而变化。

2. 凸轮轴是如何工作的？

凸轮轴的主要作用是适时开启进气门和排气门。它由曲轴驱动，通过皮带或啮合齿轮与曲轴相连。

凸轮轴的转速低于曲轴，曲轴旋转两周，凸轮轴才旋转一周。在四冲程发动机中，凸轮轴的工作过程如下：

·	活塞从上止点向下止点下行时，将运动传递给曲轴。
·	曲轴接收活塞的运动并将其转化为旋转运动，开始转动。
·	曲轴通过齿轮或皮带与凸轮轴相连。
·	曲轴将旋转运动传递给凸轮轴后，凸轮轴把旋转运动转化为往复运动，顶开进气门使其开启。
·	进气门开启后，燃油开始进入燃烧室。
·	完成进气和压缩冲程后，燃烧后的可燃混合气在燃烧室膨胀，推动活塞下行。
·	活塞下行时，曲轴再次获得动力并带动凸轮轴运转。
·	排气门凸轮接收到运动后，顶开排气门，使废气排出燃烧室。

3. 凸轮轴制造材料与工艺

制造凸轮轴最常用的是实心材料，因为这类凸轮轴具有很高的刚性。铸铁也常用于制造凸轮轴，原因是铸铁强度更高。

采用冷硬铸铁工艺生产的凸轮轴具备优异的耐磨性，因为冷硬处理可使材料硬化。人们会在铁中掺入不同材料，使其获得适配实际使用的最佳性能。

在产量较小但对质量要求极高的场合，部分行业也会使用钢坯生产凸轮轴。但与其他工艺相比，该方法耗时更长、成本更高。凸轮轴通常在铣床和车床上通过机加工、铸造或锻造制成，其生产工艺主要包括锻造、铸造以及车床和铣床加工。

4. 凸轮轴部件

凸轮轴有以下主要部件：
1.	气门挺柱
2.	凸轮
3.	凸轮轴支撑轴颈
4.	凸轮桃尖
5.	凸轮轴两端
6.	凸轮轴轴承

1. 气门挺柱

凸轮挺柱是一种特殊的滚针轴承或滚轮，沿着凸轮桃型轮廓运动。它也被称为轨道随动件。凸轮挺柱有多种结构形式，但其最关键特征是挺柱与配合零件的连接方式。轭式凸轮挺柱中心设有通孔，螺柱式凸轮挺柱则采用螺柱安装。

若缺少这一凸轮轴部件，凸轮本身作用有限，因为凸轮依靠挺柱支撑，将旋转运动转化为往复运动。挺柱配备凸轮挺柱轴承，使其能够实现旋转运动到往复运动的转换。

挺柱轴承也有不同设计，但通常采用极厚外圈结构。轴承这种厚外圈设计可使挺柱承受较大径向载荷，同时较软的内芯能够承受高载荷而无零件损坏风险。

凸轮挺柱需要滚珠或滚针，并根据使用要求采用铬钢、不锈钢等特殊材料制造。

2. 凸轮

凸轮是一种通过直接接触将所需运动传递给挺柱的机构。该凸轮轴部件的主要作用是将曲轴的旋转运动转化为直线运动。

凸轮为非圆外形结构，带有单个凸轮桃尖。凸轮旋转时，挺柱随之获得运动。每台发动机的凸轮轴上均设有多个凸轮。

凸轮安装在气门上方，负责控制进气门与排气门的开启和关闭。

凸轮配气正时对内燃机性能至关重要。凸轮的旋转控制气缸进气门与排气门的启闭。正确的凸轮正时是保证燃油适时喷射与排出的关键。

3. 凸轮轴支撑轴颈

主轴颈的主要目的是在凸轮轴围绕发动机旋转时保持其位置。

4. 凸轮桃尖

凸轮轴桃尖随活塞运动而旋转，其转速随发动机转速变化。桃尖的主要作用是控制进气门和排气门的开启与关闭。

5. 凸轮轴两端

凸轮轴的前端设计为将皮带与曲轴连接起来。凸轮的后端使用一个特殊的齿轮来旋转电机分配器。点火正时与发动机的其他部件相同。

6. 凸轮轴轴承

轴承与发动机主轴颈配合安装。它可防止发动机故障时凸轮轴损坏气缸体。轴承有助于维持凸轮轴平稳、精准旋转。

5. 凸轮轴的类型

凸轮轴主要有以下几种类型：
·	按凸轮轴所采用的挺柱类型分类
·	凸轮轴驱动元件的形状分类

按凸轮轴所采用的挺柱类型分类

1）平面挺柱凸轮（Flat Tappet Cam）

平面挺柱凸轮实际上并非完全平面。这类凸轮的工作面上带有微小凸面（ crown）。它安装在挺柱与桃尖相对运动、且挺柱可在桃尖上旋转的位置。该凸轮的桃尖采用微锥形设计。

挺柱必须相对于桃尖旋转，以避免产生有害的异常磨损。与滚轮挺柱相比，平面挺柱重量更轻、质量更小。平面挺柱工作时位于凸轮桃尖的桃心中心线位置。这类凸轮价格低于滚轮凸轮，因此更具性价比。

2）滚轮凸轮（Roller Cams）

滚轮凸轮的圆弧顶端可使滚轮在高升程状态下更长时间保持气门开启，进而影响燃油混合气配比要求。桃尖形状也使气门开启速度更快。

这类凸轮轴的主要优点是：降低内部摩擦、可采用更陡峭的凸轮轮廓、更适合高转速工况，耐久性极高。换句话说，其使用寿命极长。

滚轮凸轮可反复重复使用，能减小摩擦、提升动力，并通过减少磨损延长使用寿命。

按凸轮轴驱动元件的形状分类

1）圆柱凸轮（Cylindrical Cam）

此类凸轮呈圆柱形，也称为桶形凸轮或鼓形凸轮。

圆柱凸轮表面加工有沟槽，凸轮挺柱沿该沟槽实现运动。

该凸轮的轴线与挺柱元件的运动方向相互平行。

2）径向凸轮（Radial Cam）

径向凸轮也称为板形凸轮或盘形凸轮。

因其轴线与挺柱运动方向相互垂直，故称为径向凸轮。

此类凸轮为不规则轮廓盘形，用于将凸轮运动传递给挺柱或从动件。

3）共轭凸轮（Conjugate Cam）

该凸轮配有两个滚轮，凸轮轴的挺柱（从动件）与这两个滚轮相连。

两个滚轮相互约束运动，可消除噪声、实现平稳静音运转。

此类凸轮适用于要求凸轮轴静音工作的场合。

4）弧面凸轮（Globoid Cam）

其结构与圆柱凸轮相似，主要区别在于：

圆柱凸轮的圆柱面被凹面或凸面结构替代。

5）球面凸轮（Spherical Cam）

球面凸轮为球形结构，曲面开有沟槽，挺柱沿沟槽运动。

挺柱运动方向与球面凸轮的旋转轴线相互垂直。

6）移动凸轮（Translating Cam）

此类凸轮带有带槽轮廓板，从动件沿凸轮槽面往复摆动。

7）心形凸轮（Heart‑shaped Cam）

因呈非对称心形而得名。

挺柱沿凸轮边缘运动，运动平稳连续。这类凸轮常用于使钢索整齐缠绕在电磁阀芯上。

8）楔形凸轮（Wedge Cam）

该凸轮端部尖锐、底部宽大，驱动件相对于凸轮做滑动运动。

9）螺旋凸轮（Spiral Cam）

呈半圆螺旋轮廓，表面开有沟槽。

挺柱运动方向与凸轮驱动件的直线运动相互垂直。

6. 凸轮轴损坏的原因

凸轮轴失效的原因有多种，常见主要原因如下：

·	气门弹簧压力不当
·	凸轮轴桃形磨损
·	磨合不足
·	凸轮损坏
·	凸轮轴轴向间隙过大
·	新凸轮装配时使用了机油滤清器
·	机械干涉，如油封干涉、弹簧圈并圈、气门与活塞干涉、摇臂槽及螺钉干涉
·	凸轮轴材料质量低劣

7. 凸轮轴传动机构

凸轮轴由曲轴提供驱动力。曲轴通过多种方式将动力传递并驱动凸轮轴。凸轮轴的驱动机构主要有以下几种：
1.	链传动
2.	齿轮传动
3.	齿形带传动

1) 链传动机构

该机构通过链轮将曲轴动力传递给凸轮轴。

当曲轴与凸轮轴之间距离较远时，通常采用链传动机构。在此机构中，凸轮轴与曲轴旋转方向相同。

系统配备链条张紧器以防止链条松动，因为链条松动会导致曲轴向凸轮轴的动力传递不足。

2) 齿轮传动机构

齿轮传动适用于曲轴与凸轮轴之间距离较近的场合。该机构通过齿轮啮合将曲轴动力传递给凸轮。在齿轮传动机构中，曲轴的主动齿轮与凸轮轴的从动齿轮相互啮合（如右图所示）。

曲轴转动时，通过主动齿轮将动力传递给凸轮轴。主动齿轮带动从动齿轮旋转，从而控制发动机进气门和排气门的开启与关闭。

3) 齿形带传动机构

齿形带传动的工作原理与链传动基本相同，二者仅存在细微差别：

齿形带传动使用同步带传递曲轴动力，而链传动使用链条。

8. 常见问题解答部分

凸轮轴的作能是什么？

凸轮轴的主要作用是将曲轴的旋转运动转化为往复运动，从而开启发动机的进气门和排气门。

凸轮轴采用哪种驱动机构？

凸轮轴主要通过以下三种机构从曲轴获取动力：
·	齿形带传动机构
·	齿轮传动机构
·	链传动机构

发动机中为什么需要凸轮轴？

活塞式发动机离不开凸轮轴。发动机必须依靠凸轮轴才能正确开启和关闭进气门与排气门。

凸轮轴的作用是什么？

凸轮轴的主要作用是将曲轴的旋转运动转化为往复运动，从而开启发动机的进气门和排气门。凸轮轴控制着发动机的 “呼吸”—— 负责将可燃混合气吸入气缸进行燃烧，并在燃烧后将废气排出。

凸轮轴有哪些应用？

在往复式发动机中，凸轮轴用于开启和关闭进气门与排气门。

凸轮轴损坏的征兆有哪些？

1.	发动机熄火
2.	车辆无法启动
3.	车辆行驶无力
4.	气缸失火（缺缸）
5.	燃油经济性变差
6.	发动机动力下降
7.	机油中出现金属碎屑
8.	发动机故障灯点亮

凸轮轴由哪些部件组成？

·	凸轮桃形（凸轮凸起）
·	基圆
·	凸轮轴轴端
·	轴承 / 轴颈
·	挺柱（气门挺杆）

凸轮轴失效的原因有哪些？

·	润滑不足
·	制造质量差
·	正常磨损
·	安装不当
·	发动机机械超速运转
·	机油污染
·	发动机过热

凸轮轴损坏时车辆还能行驶吗？

可以行驶，但不建议继续使用。凸轮轴对发动机气门的开闭至关重要，以此实现进气、喷油和排气。若凸轮轴损坏，会导致发动机性能严重下降，甚至引发发动机报废。

请选择优质的凸轮轴工厂

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