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新聞

凸輪軸的前世今生

2015-05-18

　　凸輪軸英文全稱為Overhead camshaft，簡(jiǎn)稱OHC。一般發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸安裝位置有下置、中置、頂置三種形式。頂置凸輪軸是將凸輪軸被放置在汽缸蓋內(nèi)，燃燒室之上，直接驅(qū)動(dòng)搖臂、氣門(mén)，不必通過(guò)較長(zhǎng)的推桿。與氣門(mén)數(shù)相同的推桿式發(fā)動(dòng)機(jī)（即頂置氣門(mén)結(jié)構(gòu)）相比，頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)中需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件要少得多，因此大大簡(jiǎn)化了配氣結(jié)構(gòu)，顯著減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，同時(shí)也提高了傳動(dòng)效率、降低了工作噪音。盡管頂置凸輪軸使發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但是它帶來(lái)的更出色的引擎綜合表現(xiàn)（特別是平順性的顯著提高）以及更緊湊的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)制造商很快在產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用這一設(shè)計(jì)。頂置凸輪軸與頂置氣門(mén)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式并不一定不同。動(dòng)力可以通過(guò)正時(shí)皮帶、鏈條甚至齒輪組傳遞到頂置的凸輪軸上。
　　此外，頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)也使采用這一設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到比采用頂置氣門(mén)結(jié)構(gòu)或整體式凸輪軸結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)更高的轉(zhuǎn)速。如今，許多頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了多氣門(mén)結(jié)構(gòu)或可變氣門(mén)正時(shí)結(jié)構(gòu)以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和動(dòng)力表現(xiàn)。
 　按照配氣結(jié)構(gòu)內(nèi)包含的凸輪軸數(shù)目，頂置凸輪軸可分為以下兩種形式：
　　單頂置凸輪軸（Single overhead camshaft, SOHC）
　　雙頂置凸輪軸（Double overhead camshafts, DOHC）
　　單頂置凸輪軸
　　單頂置凸輪軸是一種在汽缸蓋內(nèi)只設(shè)置一條凸輪軸的設(shè)計(jì)。采用這一設(shè)計(jì)的直列汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)只需一條安放在汽缸蓋上方的凸輪軸，而V形汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)則需要兩條凸輪軸，分別安放在一側(cè)汽缸組之上。
　　單頂置凸輪設(shè)計(jì)中，需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件及其總質(zhì)量較同等條件下的推桿式發(fā)動(dòng)機(jī)顯著減少。因此單頂置凸輪軸能提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而在輸出扭矩相同的情況下提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。在這一設(shè)計(jì)中，凸輪軸能夠直接或通過(guò)搖臂控制氣門(mén)開(kāi)閉，而不需像頂置氣門(mén)的推桿式發(fā)動(dòng)機(jī)樣，需要通過(guò)挺桿、較長(zhǎng)的推桿以及搖臂將發(fā)動(dòng)機(jī)組內(nèi)凸輪軸上凸輪的運(yùn)動(dòng)傳遞到汽缸蓋內(nèi)的氣門(mén)上。
　　相比推桿式結(jié)構(gòu)，單頂置凸輪軸設(shè)計(jì)能使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)（主要是配氣結(jié)構(gòu)）更加緊湊。這一優(yōu)勢(shì)在同時(shí)采用多氣門(mén)設(shè)計(jì)（即一個(gè)汽缸有兩個(gè)以上的氣門(mén)）時(shí)特別顯著。不過(guò)有時(shí)為進(jìn)行調(diào)節(jié)的單頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的典型。希爾曼頑童是一款1960年代初設(shè)計(jì)制造的小型雙門(mén)轎車。其后置合金發(fā)動(dòng)機(jī)是由考文垂頂點(diǎn)（CoventryClimax）系列賽車發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來(lái)的。在這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)氣與排氣氣門(mén)被安放在發(fā)動(dòng)機(jī)體的同一側(cè)，因而無(wú)需采用交叉氣流汽缸蓋（crossflow cylinder head）的設(shè)計(jì)，同時(shí)有利于火花塞的工作。
　　不過(guò)單頂置凸輪軸也有其缺點(diǎn)。由于進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)在進(jìn)氣道中位置不同，氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)間的精確性會(huì)受到一定影響。在1980年代早期，豐田（Toyota）和大眾汽車（Volkswagen）也曾在單頂置凸輪軸的每缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)中使用過(guò)直接驅(qū)動(dòng)、平行氣門(mén)的結(jié)構(gòu)以使體積進(jìn)一步緊湊。豐田采用的是液壓挺桿，而大眾汽車采用的是桶狀挺桿，同時(shí)還配備了氣門(mén)間隙調(diào)節(jié)墊片以精確控制氣門(mén)開(kāi)閉時(shí)間。在單頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的所有氣門(mén)排列形式中，這種設(shè)計(jì)可能是最為緊湊和簡(jiǎn)單的。
　　雙頂置凸輪軸
　　雙頂置凸輪軸是一種在汽缸蓋內(nèi)配備兩條凸輪軸的氣門(mén)排列形式。兩條凸輪軸分別控制進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)。根據(jù)引擎的構(gòu)造不同（主要是汽缸排列形式的不同），一臺(tái)一般的雙頂置凸輪軸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可最多擁有兩條到四條不等的凸輪軸。
雙頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)并不一定有兩個(gè)以上的進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)，但是如果多氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)需要被直接驅(qū)動(dòng)（雖然一般都通過(guò)挺桿驅(qū)動(dòng)），那么雙頂置凸輪軸是必不可少的。并非所有的雙頂置凸輪軸都是多氣門(mén)的--在多氣門(mén)技術(shù)普及之前，兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)上也經(jīng)常配備兩條凸輪軸。不過(guò)在當(dāng)今，雙頂置凸輪軸已經(jīng)與多氣門(mén)技術(shù)劃上了等號(hào)，因?yàn)樵趲缀跛械碾p頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)中，每個(gè)汽缸都有三個(gè)到五個(gè)氣門(mén)。
　　歷史介紹
　　最早一批采用雙頂置凸輪軸設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)分別是由菲亞特（Fiat，于1912年）、標(biāo)致（于1913年）、阿爾法·羅密歐（于 1914年）設(shè)計(jì)制造的。其中后兩者還采用了每缸四氣門(mén)的設(shè)計(jì)。在后來(lái)的阿爾法·羅密歐6C（1925年）、瑪莎拉蒂蒂波26（Maserati Tipo 26，1926年）、布加迪51型（Bugatti Type 51，1931年）以及早期的奧迪（Audi）等車上也采用了這一技術(shù)。此外，早期采用每缸兩氣門(mén)技術(shù)的法拉利（Ferrari）大多使用了雙頂置凸輪軸。
　　當(dāng)雙頂置凸輪軸技術(shù)被最初引入主流汽車市場(chǎng)時(shí)，汽車制造商對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了大量的推廣。在1960年代中期，正當(dāng)這一技術(shù)還僅限于少數(shù)限量生產(chǎn)的汽車和運(yùn)動(dòng)車上時(shí)，菲亞特集團(tuán)果斷地在其包括轎跑車、轎車、敞蓬車和旅行車在內(nèi)的產(chǎn)品線上全面使用了皮帶驅(qū)動(dòng)的雙頂置凸輪軸技術(shù)，從而成為了第一家全面應(yīng)用這一技術(shù)的公司。