凸轮轴

定义与功能

凸轮轴（Camshaft）是活塞发动机配气机构中的核心部件，其基本作用是控制气门的开启和闭合动作。在四冲程发动机中，凸轮轴的转速为曲轴的一半（曲轴每旋转两周，凸轮轴旋转一周）；在二冲程发动机中，凸轮轴转速与曲轴相同。尽管转速相对曲轴较低，凸轮轴仍需承受很大的扭矩，因此设计中对强度和支撑的要求很高。

由于气门的运动规律直接关系到发动机的动力输出和运转特性，凸轮轴的设计在发动机开发过程中占据着十分重要的地位。

凸轮轴的主体是一根与气缸组长度大致相同的圆柱形棒体，上面加工有若干个凸轮。凸轮的侧面呈鸡蛋形（桃形），其轮廓设计需保证气缸充分的进气和排气，同时避免气门开闭过程中产生过大的冲击，否则会造成气门严重磨损、噪声增加等后果。

凸轮轴通常由凸轮、凸轮轴颈及轴等部分组成。凸轮按功能分为进气凸轮和排气凸轮。凸轮轴通过凸轮轴轴颈支撑在凸轮轴轴承孔内，轴颈数目直接影响凸轮轴的支撑刚度——刚度不足时，工作时会发生弯曲变形，影响配气正时。为减轻质量并提高承载能力，大多数凸轮轴的内部被制成中空结构，并加工有润滑油道。

凸轮轴承受周期性的冲击载荷，凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很高，因此凸轮工作表面的磨损较为严重。基于这一工作条件，凸轮轴材料需具备较高的耐磨性、足够的刚度和良好的尺寸精度。

凸轮轴通常由优质碳钢或合金钢锻造，也可用合金铸铁或球墨铸铁铸造。在铸铁材料制成的凸轮轴中，凸轮表面在铸成后通过重熔法转变成莱氏体，可承受约1200MPa的赫兹挤压应力；锻钢凸轮轴则可承受2000至2500MPa的赫兹挤压应力。轴颈和凸轮工作表面经热处理后精磨，以提高其耐磨性。

目前，大部分发动机制造企业采用整体式凸轮轴，材料有中碳低合金锻钢（经高频淬火）和球墨铸铁等。同时，为满足轻量化和降低成本的要求，组合式凸轮轴等新型制造工艺也在不断发展。

凸轮轴在发动机上的布置位置主要有三种形式：

下置式凸轮轴位于曲轴箱内，通过挺柱、推杆和摇臂等较长传动链驱动气门，结构复杂、往复运动质量大，不利于高转速运转。中置式凸轮轴位于机体上部，传动链较下置式有所缩短。上置式（顶置式）凸轮轴位于气缸盖上，是目前多数量产车发动机采用的主流形式。

顶置式凸轮轴的主要优点是运动件少、传动链短、整个机构刚度大，凸轮轴更加接近气门，减少了底置式结构因距离较远造成的能量浪费。采用顶置凸轮轴的发动机气门开闭动作更迅速，转速更高，运行平稳性也更好。顶置凸轮轴又可分为单顶置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）两种形式。

凸轮轴由曲轴驱动，二者之间的传动方式主要有齿轮传动、链条传动和齿形皮带传动三种。

齿轮传动多用于下置式和中置式凸轮轴，一般只需一对正时齿轮即可完成传动。其优点是传动准确性和可靠性好，但噪声较大。为降低啮合噪声，正时齿轮大多采用斜齿设计。

链条传动常见于顶置凸轮轴发动机，采用金属链条连接曲轴与凸轮轴。其优点是传动阻力小、可靠性高，但噪声较大且需要润滑。齿形皮带传动（正时皮带）具有噪声小、无需润滑、成本低的优点，在高转速发动机上广泛应用，但寿命相对有限。

对于双顶置凸轮轴发动机，通常由曲轴通过正时机构驱动排气凸轮轴，进气凸轮轴再通过链条由排气凸轮轴驱动；或进、排气凸轮轴均由曲轴直接驱动。

凸轮轴的常见故障主要包括异常磨损、异响和断裂等。

异常磨损是最常见的故障形式。造成磨损的原因包括机油泵供油不足、润滑油道堵塞、轴承盖螺栓拧紧力矩过大或使用劣质润滑油等。磨损导致凸轮轴与轴承座之间的间隙增大，产生轴向位移和异响；严重时，凸轮与液压挺杆之间的间隙增大，结合时产生撞击声。

异响是凸轮轴故障的典型征兆，表现为发动机运转时出现“哒哒”等异常噪声。当凸轮轴的可变气门正时机构（VVT轮）发生磨损时，也可能引发异响。

弯曲变形是另一种常见损伤。检查时可将凸轮轴两端置于V形块上，用百分表测量中间轴颈的跳动量，通常弯曲度不大于0.05mm。超过此值时应考虑更换。

凸轮轴的维修以检测和更换为核心。当凸轮最大升程减小值大于0.40mm，或凸轮表面累积磨损量超过0.80mm时，应更换凸轮轴。凸轮轴轴颈的圆度误差大于0.015mm、各轴颈的同轴度误差超过0.05mm时，一般也需更换。目前汽车维修企业中对凸轮极少进行修复，通常直接更换凸轮轴。

在更换凸轮轴时，需注意以下几点：拆卸前应做好正时标记，确保安装后配气正时准确；检查并视情更换磨损的轴承；按制造商规定的力矩正确安装轴承盖螺栓；保持发动机机油清洁是预防凸轮轴早期磨损的关键。对于采用可变气门正时技术的发动机，还应检查VVT机构的工作状态，必要时一并更换相关部件。

截至2026年7月，主流维修体系均强调凸轮轴作为高精密零件，更换时应选用原厂品质配件，并严格按照维修手册的技术规范进行操作。