凸輪軸

凸輪軸承受周期性的衝擊載荷。凸輪與挺柱之間的接觸應力很大，相對滑動速度也很高，因此凸輪工作表面的磨損比較嚴重。針對這種情況，凸輪軸軸頸和凸輪工作表面除應該有的較高的尺寸精度、較小的表面粗糙度和足夠的剛度外，還應有較高的耐磨性和良好的潤滑。

凸輪軸通常由優質碳鋼或合金鋼鍛造，也可用合金鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造。軸頸和凸輪工作表面經熱處理后磨光。

凸輪軸的主體是一根與汽缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用於驅動氣門。凸輪軸的一端是軸承支撐點，另一端與驅動輪相連接。

凸輪的側面呈雞蛋形。其設計的目的在於保證汽缸充分的進氣和排氣，具體來說就是在儘可能短的時間內完成氣門的開、閉動作。另外考慮到發動機的耐久性和運轉的平順性，氣門也不能因開閉動作中的加減速過程產生過多過大的衝擊，否則就會造成氣門的嚴重磨損、雜訊增加或是其它嚴重後果。因此，凸輪和發動機的功率、扭矩輸出以及運轉的平順性有很直接的關係。

一般來說直列式發動機中，一個凸輪都對應一個氣門，V型發動機或水平對置式發動機則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉子發動機和無閥配氣發動機由於其特殊的結構，並不需要凸輪。

凸輪軸的位置有下置式、中置式和上置式三種。下置式配氣機構的凸輪軸位於曲軸箱內，中置式配氣機構的凸輪軸位於機體上部，上置式配氣機構的凸輪軸位於氣缸蓋上。

現在大多數量產車的發動機配備的是頂置式凸輪軸。頂置式凸輪軸結構的主要優點是運動件少，傳動鏈短，整個機構的剛度大，使凸輪軸更加接近氣門，減少了底置式凸輪軸由於凸輪軸和氣門之間較大的距離而造成的往返動能的浪費。頂置式凸輪軸的發動機由於氣門開閉動作比較迅速，因而轉速更高，運行的平穩度也比較好。

底置式凸輪軸通常採用星形齒輪組（即所謂的“控制輪”），輥子鏈或齒條與曲軸相連。為了控制雜訊，直徑較大的凸輪軸端傳動輪通常由塑料或者輕金屬製造，而相對直徑較小的曲軸端傳動輪則大多採用鋼材。鏈條連接也比較多見。這種方式在底置式和頂置式凸輪軸上都可以看到。為了減小雜訊（一般是鏈條在運動中產生的“振擺雜訊”），通常還會附帶一個液壓壓緊裝置和塑料材質的導軌。

頂置式凸輪軸結構中比較多見的是用一個塑料齒條鏈連接。這個齒條鏈位於發動機機油腔外，附帶有鋼質的嵌入部件，通過一個可調的輥子幫助張緊。

還有一種結構由於動力在傳輸過程中損耗過大且過於複雜，現在已經比較少見。這種結構通過一個偏心連桿、星形齒輪組或帶中間軸的錐形齒輪組來連接頂置式凸輪軸與曲軸。

凸輪軸與曲軸之間的常見傳動方式包括齒輪傳動、鏈條傳動以及齒形膠帶傳動。下置凸輪軸和中置凸輪軸與曲軸之間的傳動大多採用圓柱形正時齒輪傳動，一般從曲軸到凸輪軸只需要1對齒輪傳動，如果傳動齒輪直徑過大，可以再增加1個中間惰輪。為了嚙合平穩並降低工作雜訊，正時齒輪大多採用斜齒輪。

鏈條傳動常見於頂置凸輪軸與曲軸之間，但其工作可靠性和耐久性不如齒輪傳動。近年來在高轉速發動機上廣泛使用齒形膠帶代替傳動鏈條，但在一些大功率發動機上仍然使用鏈條傳動。齒形膠帶具有工作雜訊小、工作可靠以及成本低等特點。對於雙頂置凸輪軸，一般是排氣凸輪軸通過正時齒形膠帶或鏈條由曲軸驅動，進氣凸輪軸通過金屬鏈條由排氣凸輪軸驅動，或進氣凸輪軸和排氣凸輪軸均由曲軸通過齒形膠帶或鏈條驅動。

安裝凸輪軸時，一定要注意凸輪軸帶輪或鏈輪上的正時標記。有些發動機沒有明顯的正時標記，維修人員可以在拆卸凸輪軸之前標記出曲軸和凸輪軸的準確位置，有些發動機則是需要專用工具才能進行正時的調校。

凸輪軸的常見故障包括異常磨損、異響以及斷裂，異響和斷裂發生之前往往先出現異常磨損的癥狀。

（1）凸輪軸幾乎位於發動機潤滑系統的末端，因此潤滑狀況不容樂觀。如果機油泵因為使用時間過長等原因出現供油壓力不足，或潤滑油道堵塞造成潤滑油無法到達凸輪軸，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大造成潤滑油無法進入凸輪軸間隙，均會造成凸輪軸的異常磨損。

（2）凸輪軸的異常磨損會導致凸輪軸與軸承座之間的間隙增大，凸輪軸運動時會發生軸向位移，從而產生異響。異常磨損還會導致驅動凸輪與液壓挺桿之間的間隙增大，凸輪與液壓挺桿結合時會發生撞擊，從而產生異響。

（3）凸輪軸有時會出現斷裂等嚴重故障，常見原因有液壓挺桿碎裂或嚴重磨損、嚴重的潤滑不良、凸輪軸質量差以及凸輪軸正時齒輪破裂等。

（4）有些情況下，凸輪軸的故障是人為原因引起的，特別是維修發動機時對凸輪軸沒有進行正確的拆裝。例如拆卸凸輪軸軸承蓋時用鎚子強力敲擊或用改錐撬壓，或安裝軸承蓋時將位置裝錯導致軸承蓋與軸承座不匹配，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大等。安裝軸承蓋時應注意軸承蓋表面上的方向箭頭和位置號等標記，並嚴格按照規定力矩使用扭力扳手擰緊軸承蓋緊固螺栓。

為了提升發動機的動力，有些改裝店對發動機的凸輪軸進行了改裝，其中換裝高角度凸輪軸（Hi－CAM）是常見的一種改裝方法。這種改裝操作並不複雜，但由於一些改裝人員對凸輪軸上凸輪的工作角度和工作原理了解不足，使得改裝后的效果並不明顯甚至導致發動機的性能惡化。

高角度凸輪軸是相對於普通凸輪軸的240°左右的凸輪工作角度而言的，高角度凸輪軸的凸輪工作角度通常可以達到280°以上。大角度的凸輪軸可以延長氣門的開啟時間，增大氣門的升程，使進氣門和排氣門實現早開和晚關，使更多空氣進入氣缸，以提高發動機中、高轉速的動力輸出。對於民用車來說，改裝時應該選擇凸輪工作角度在278°以下的凸輪軸，因為工作角度大於278°的凸輪軸會大幅度增加氣門重疊角，使發動機高轉速時的動力提升很多，但發動機在低轉速時會因為氣缸密封性不好而導致怠速嚴重抖動甚至熄火，這樣的車輛無法適應日常使用，而只能用於競賽用途。

凸輪軸是發動機的關鍵零件之一，凸輪軸桃尖部位的硬度和白口層深度是決定凸輪軸使用壽命和發動機效率的關鍵技術指標。在保證凸輪有足夠高的硬度和相當深的白口層的前提下，還應考慮軸頸不出現較高的碳化物，使其具有較好的切削加工性能。

國內外生產凸輪軸的主要方法有：採用鋼質鍛造毛坯經切削加工后，凸輪桃尖部分經高頻淬火形成馬氏體層的工藝。20世紀 70年代末，德國和法國相繼開發了凸輪軸氬弧重熔新工藝；另有以美國為主的可淬硬鑄鐵凸輪軸；以日本和法國為主的冷硬鑄鐵凸輪軸；以及凸輪部位用 Cr-Mn-Mo 合金塗料進行鑄件表面合金化的生產工藝等。