凸轮轴：发动机配气机构的核心

凸轮轴，作为发动机配气机构的关键部件，承担着驱动气门定时开启与关闭的重要任务。在高速运转的轿车发动机中，为了确保进排气的高效率，气门通常采用顶置设计，而凸轮轴则通过液压挺杆等精密机构来精准控制气门的动作。凸轮轴不仅转速极高，还需承受巨大的转矩，因此对其强度和稳定支撑的要求极为严格。

凸轮轴的主体通常是一根与气缸组长度相等的圆柱体，上面精心加工出多个凸轮，材质则多选用特种铸铁，或采用锻钢和合金以提升耐用性。为了降低质量并增强承载能力，大多数凸轮轴都采用中空结构设计。此外，凸轮轴上还精心加工出润滑油道，以确保对凸轮轴、摇臂轴及摇臂等部件的充分润滑。

（１）下置凸轮轴与中置凸轮轴的对比

这两种布置方式在发动机低转速时表现出色，且结构简洁，便于维修，因此过去常被广泛采用。然而，如今轿车发动机已较少使用这两种布置方式。主要原因是，在它们的工作过程中，由于凸轮轴与气门之间的距离相对较远，需要借助较长的挺杆（如图3所示）配合摇臂等部件来驱动气门，这在一定程度上影响了发动机工作的平稳性，同时增加了配气机构运行时的噪声。

在高转速工作时，由于挺杆较长，其随着凸轮轴运动的性能会变得较差。在较大的载荷作用下，挺杆容易发生弯曲变形，严重时甚至可能导致气门无法正常开启，从而引发严重故障。

轿车发动机普遍采用顶置凸轮轴设计

这种设计通过将凸轮轴置于发动机上方，显著缩短了凸轮轴与气门之间的距离，进而省去了长挺杆的需求，简化了配气机构，使发动机结构更为紧凑。此外，顶置凸轮轴通过摇臂或液压挺杆驱动气门，不仅提高了传动效率，还降低了工作时的噪声。然而，它也存在一定的缺点，主要是凸轮轴与曲轴之间的距离增加，导致传动金属链条或正时齿形胶带的长度增长，从而增加了传动机构设计的复杂性。

根据配气机构中凸轮轴的数量，顶置凸轮轴可分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种类型。

①单顶置凸轮轴（SOHC）

在单顶置凸轮轴设计中，进气门和排气门由同一根顶置凸轮轴共同驱动。然而，由于进气门和排气门在进气道中的位置有所差异，这可能会对气门开启时刻的精确性产生一定的影响。

图4展示了单顶置凸轮轴的设计。在这种设计中，进气门和排气门由同一根顶置凸轮轴协同操控。但需注意，由于进气门与排气门在进气道内的位置有所不同，这不可避免地会对气门开启时机的精准度造成某种程度的影响。

②双顶置凸轮轴（见图5）。

双顶置凸轮轴是在单顶置凸轮轴的基础上进一步演化的设计。它采用两根顶置凸轮轴，分别驱动进气门和排气门，实现了对两者的独立控制。这种设计使得气门的开启时刻能够更加精准地被调控。特别是对于那些每个气缸拥有超过两个气门，或者采用V型气缸排列的发动机，双凸轮轴的应用不仅简化了配气机构，还优化了气门的开启与关闭控制。

图5展示了链条传动的双顶置凸轮轴。这种设计使得凸轮轴与气门之间的距离大大缩短，从而使得摇臂可以设计得更为短小轻盈，甚至可以直接利用凸轮轴来驱动气门，无需摇臂的介入。此外，进气凸轮轴与排气凸轮轴的分离设计，为气门布置提供了更大的灵活性，使得火花塞能够轻松地布置在两个凸轮轴之间的位置，即燃烧室的中心，这一特性使得双顶置凸轮轴在高转速发动机中表现尤为出色。

在凸轮轴的驱动方面，常见的传动方式包括齿轮传动、链条传动以及齿形胶带传动。对于下置和中置凸轮轴，与曲轴之间的传动多采用圆柱形正时齿轮，通常只需一对齿轮即可完成传动。若传动齿轮直径过大，则会增设一个中间惰轮以平衡传动。为了确保平稳啮合并降低工作噪声，正时齿轮多选用斜齿轮。

链条传动虽然常见于顶置凸轮轴与曲轴之间的传动，但其可靠性和耐久性相较于齿轮传动略显不足。近年来，高转速发动机广泛采用齿形胶带替代传动链条，以利用其工作噪声小、可靠性高及成本低廉的特点。对于双顶置凸轮轴的传动，通常是排气凸轮轴通过正时齿形胶带或链条由曲轴驱动，而进气凸轮轴则由排气凸轮轴通过金属链条驱动，或两者均由曲轴直接驱动。

在安装凸轮轴时，务必注意凸轮轴带轮或链轮上的正时标记（图6），以确保准确的配气正时。某些发动机可能没有明显的正时标记，因此维修人员在拆卸前应标记出曲轴和凸轮轴的相对位置。而有些发动机则需要使用专用工具进行正时调校，以确保精确的配气时机。

图6展示了如何对准凸轮轴的正时标记。凸轮轴在发动机中扮演着至关重要的角色，但其也面临一些常见的故障挑战。这些故障包括异常磨损、产生异响以及断裂，而异常磨损往往是异响和断裂的先兆。

凸轮轴的位置处于发动机润滑系统的末端，因此其润滑条件相对较差。
若机油泵因长期使用而供油压力不足，或润滑油道被堵塞导致润滑油无法抵达凸轮轴，又或是轴承盖紧固螺栓的拧紧力矩过大阻碍了润滑油的进入，这些都可能导致凸轮轴的异常磨损（见图7）。

图7展示了凸轮轴的严重磨损情况。这种异常磨损会导致凸轮轴与轴承座之间的间隙扩大，使得凸轮轴在运动时发生轴向移动，进而产生异响。同时，异常磨损还会增加驱动凸轮与液压挺杆之间的间隙，导致凸轮与液压挺杆结合时发生撞击，同样会产生异响。此外，凸轮轴有时还会出现断裂等严重故障，这通常与液压挺杆的碎裂或严重磨损、润滑不良、凸轮轴质量不佳以及凸轮轴正时齿轮破裂等因素有关。

图8展示了液压挺杆的严重磨损情况。这种磨损问题有时是由人为因素导致的，特别是在发动机维修过程中对凸轮轴的拆装操作不当。例如，拆卸凸轮轴轴承盖时使用锤子过度敲击，或用改锥进行撬压，都可能导致轴承盖与轴承座的不匹配。此外，安装时的错误，如将轴承盖的位置装错，或紧固螺栓的拧紧力矩过大，也可能引发问题。在安装轴承盖时，必须仔细注意轴承盖上的方向箭头和位置号等标记（见图9），并严格按照规定的力矩使用扭力扳手来拧紧轴承盖的紧固螺栓。

图9展示了改装凸轮轴时需要注意的轴承盖上的标记。为了增强发动机的动力，许多改装店会选择对凸轮轴进行改装，其中，换装高角度凸轮轴（Hi-CAM）是一种常见的做法。然而，由于部分改装人员对凸轮轴的工作原理和角度了解不够深入，这往往导致改装效果并不显著，甚至可能损害发动机的性能。
高角度凸轮轴的凸轮工作角度通常超过280°，相较于普通凸轮轴的240°左右的工作角度。这种大角度设计能够延长气门的开启时间，增加气门的升程，从而使得进气门和排气门能够更早开启和更晚关闭，进而允许更多空气进入气缸，提升发动机在中、高转速时的动力输出。