汽车凸轮轴：引擎韵律的掌控者让动力舞动

　　

　　您可能不知道，汽车发动机中有一个关键部件，堪称整个系统的“指挥棒”，掌控着发动机的运转节奏，它就是凸轮轴。不要小看这根轴，它对发动机性能的影响至关重要。今天，我们就来详细探讨一下汽车凸轮轴的重要性。

　　我们先从发动机的工作原理说起。发动机堪称汽车的心脏，源源不断地为汽车行驶提供动力。以常见的四冲程发动机为例，其工作过程包括进气、压缩、做功和排气四个冲程。在进气冲程中，活塞向下运动，进气门打开，新鲜的空气和燃油混合气被吸入气缸；接着进入压缩冲程，此时进气门和排气门均关闭，活塞向上运动，将混合气压缩；随后是做功冲程，火花塞点火，混合气燃烧产生强大的推力，推动活塞向下运动，从而对外输出动力；最后是排气冲程，活塞再次向上运动，排气门打开，将燃烧后的废气排出气缸。这一系列流程循环往复，使发动机能够持续运转。

　　在这个过程中，凸轮轴发挥着至关重要的作用。它主要负责控制气门的开启和关闭。可以将气门想象成气缸的“大门”，而凸轮轴则是精准控制“大门”何时开启、何时关闭、开启幅度和关闭速度的“门卫长”。在四冲程发动机中，凸轮轴的转速通常是曲轴的一半。原因在于，曲轴需要转动两圈，发动机才能完成一个完整的进气、压缩、做功和排气循环，而凸轮轴只需在适当的时候控制气门的开启和关闭一次。尽管转速只有曲轴的一半，但凸轮轴的转速仍然很高，并且需要承受较大的扭矩，因此在设计时对其强度和支撑有很高的要求。通常，凸轮轴的材质选用优质合金钢或特种铸铁，有时也会使用锻件。

　　从结构上看，凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相近的圆柱形棒体。在这根棒体上，安装了多个凸轮，这些凸轮的作用是驱动气门。凸轮轴的一端通过轴承支撑，确保其稳固地固定在发动机上；另一端则与驱动轮相连，通过驱动轮接收来自曲轴的动力。仔细观察凸轮的侧面，会发现其呈鸡蛋形，这种设计并非随意为之，而是经过精心计算。这种特殊的形状能够在尽可能短的时间内完成气门的开闭动作，从而确保汽缸充分进气和排气。此外，为了保证发动机的耐久性和运转的平顺性，气门在开闭过程中的加减速动作必须平稳，避免产生过大的冲击。否则，气门将严重磨损，噪声增加，甚至可能引发其他严重后果。因此，凸轮的设计与发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性密切相关。

　　在不同类型的发动机中，凸轮与气门的对应关系各不相同。例如，在直列式发动机中，一个凸轮通常对应一个气门；而在 V 型发动机或水平对置式发动机中，通常是每两个气门共享一个凸轮。然而，转子发动机和无阀配气发动机由于其独特的结构，无需使用凸轮轴。

　　关于凸轮轴的位置，通常有下置式、中置式和上置式三种。下置式配气机构的凸轮轴位于曲轴箱内，中置式的凸轮轴位于机体上部，而上置式的凸轮轴则位于气缸盖上。目前市面上大多数量产车的发动机均采用顶置式凸轮轴。顶置式凸轮轴的优势显著，它减少了运动部件的数量，缩短了传动链，提高了整个机构的刚度，并使凸轮轴更接近气门。这样可以减少因凸轮轴与气门之间距离较大而造成的往返动能损失，这是底置式凸轮轴常见的问题。因此，顶置式凸轮轴的发动机气门开闭动作更为迅速，转速更高，运行也更加平稳。

　　凸轮轴的工作条件相当苛刻。它需要承受周期性的冲击载荷，凸轮与挺柱之间的接触应力极大，相对滑动速度也较高，因此凸轮工作表面的磨损较为严重。为了应对这些挑战，凸轮轴轴颈和凸轮工作表面不仅需要具备较高的尺寸精度、较小的表面粗糙度和足够的刚度，还必须具有较高的耐磨性和良好的润滑性能。通常，凸轮轴由优质碳钢或合金钢锻造而成，也有采用合金铸铁或球墨铸铁铸造的情况。轴颈和凸轮工作表面在热处理后还需进行磨光处理，以满足这些严苛的要求。

　　凸轮轴在工作中容易出现哪些问题呢？常见的故障包括异常磨损、异响以及断裂。值得注意的是，异响和断裂通常在异常磨损之后发生。例如，凸轮轴几乎位于发动机润滑系统的末端，润滑条件较差。如果机油泵因使用时间过长等原因导致供油压力不足，或者润滑油道堵塞，润滑油无法到达凸轮轴，又或者轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大，导致润滑油无法进入凸轮轴间隙，这些情况都会引起凸轮轴的异常磨损。一旦凸轮轴出现异常磨损，其与轴承座之间的间隙会增大，运动时可能发生轴向位移，进而产生异响。此外，异常磨损还会导致驱动凸轮与液压挺杆之间的间隙变大，两者结合时会发生撞击，同样会产生异响。更严重的是，凸轮轴有时会出现断裂等故障，这可能是由于液压挺杆碎裂或严重磨损、严重的润滑不良、凸轮轴质量差，或者凸轮轴正时齿轮破裂等原因造成的。还有一些情况，凸轮轴的故障是人为引起的，特别是在维修发动机时，如果对凸轮轴拆装不当。例如，拆卸凸轮轴轴承盖时使用锤子强力敲击，或者用改锥撬压；安装轴承盖时位置装错，导致轴承盖与轴承座不匹配；又或者轴承盖紧固螺栓拧紧力矩过大等。因此，在安装轴承盖时，务必注意轴承盖表面的方向箭头和位置号等标记，并严格按照规定力矩，使用扭力扳手拧紧轴承盖紧固螺栓。

　　如果怀疑凸轮轴可能损坏，可以通过以下几种方法进行判断。首先，从启动方面来看，如果出现启动困难或发动机不易启动的情况，可能是凸轮轴或其位置传感器出现问题。其次，观察发动机的工作状态和声音，如果在运行过程中出现异常噪音或震动，也可能是凸轮轴存在故障。从性能方面判断，发动机动力不足、油耗增加、车辆抖动、热车时突然熄火，这些现象可能与凸轮轴损坏有关。此外，还可以检查凸轮轴的磨损情况，观察其表面是否有模糊、折断或尺寸变化；检查轴承，注意螺栓、螺母和轴承是否有过度磨损；检查空腔，确认内部是否有积水、灰尘等杂质；检查角度，确保固定角度和安装角度一致；观察发动机油，如果油液变黑、含有金属颗粒或消耗过快，这可能是凸轮轴磨损的迹象；听声音，如果引擎噪音异常增加、高速行驶时颤抖震动、启动时有漏气声，也可能是凸轮轴故障；注意引擎的工作表现，加速度和燃油经济性下降，可能与凸轮轴损坏有关。当然，还可以通过诊断仪器读取发动机故障码，结合实际情况进行判断。如果怀疑凸轮轴损坏，建议找专业技师，使用专业设备和技术进行确诊和修复。

　　为了提升发动机的动力，一些改装店会通过改装发动机的凸轮轴来实现这一目标，其中换装高角度凸轮轴是一种常见的改装方法。与普通凸轮轴相比，高角度凸轮轴的凸轮工作角度更大，普通凸轮轴的凸轮工作角度通常在 240° 左右，而高角度凸轮轴则通常能达到 280° 以上。大角度的凸轮轴可以延长气门的开启时间，增大气门的升程，使进气门和排气门实现早开和晚关，从而让更多的空气进入气缸，提高发动机在中、高转速下的动力输出。然而，对于日常使用的民用车而言，改装时需注意选择凸轮工作角度在 278° 以下的凸轮轴。原因在于，工作角度超过 278° 的凸轮轴会显著增加气门重叠角，虽然在高转速时动力提升明显，但在低转速时，由于气缸密封性下降，会导致怠速严重抖动甚至熄火，这样的车辆更适合竞赛用途，而不适合日常驾驶。

　　随着汽车技术的不断进步，对凸轮轴的要求也日益提高。在生产技术方面，凸轮轴桃尖部位的硬度和白口层深度是决定凸轮轴使用寿命和发动机效率的关键技术指标。在确保凸轮轴具备足够高的硬度和较深的白口层的同时，还需确保轴颈不出现过多的碳化物，以保持良好的切削加工性能。国内外生产凸轮轴的方法多种多样，例如采用钢质锻造毛坯，经过切削加工后，对凸轮桃尖部分进行高频淬火，形成马氏体层的工艺；20世纪70年代末，德国和法国还开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺；此外，还有以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴，以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴，以及在凸轮部位使用Cr-Mn-Mo合金涂料进行铸件表面合金化的生产工艺等。

　　总的来说，凸轮轴虽是发动机中的一个部件，但其作用至关重要，犹如乐队中的指挥，精准地掌控着发动机的运转节奏。从其构造、工作原理，到常见故障与维修，再到改装与发展动向，每一个方面都与发动机的性能息息相关。了解凸轮轴，将使您对汽车发动机的认识更加深入。希望本文能为您提供一个全面的视角，帮助您更好地理解汽车凸轮轴。如果您觉得本文有所裨益，敬请点赞并关注，您的支持将是我们不断前进的动力。