编辑|江卿曻
前言曲轴和凸轮轴是内燃机的关键部件，分别在将直线运动转化为旋转运动和控制气门正时方面起着重要作用。这些机械奇迹彻底改变了汽车行业，让车辆以更高的效率和性能运行。曲轴和凸轮轴的发展可以追溯到古代，早期的工程师在各种机械设备中使用这些部件的初级版本。已知最早的曲轴证据可以追溯到公元前2世纪的希腊时代，用于古罗马提水机。
凸轮轴的概念也可以追溯到古代文明，在那里它被用于自动机和水钟，曲轴是往复式发动机的基本部件，将活塞的往复运动转化为旋转运动。它的主要功能是将动力从活塞传递到变速器，最终驱动车轮。曲轴的设计对于确保发动机平稳运行和最大限度地减少振动至关重要。现代曲轴通常由高强度钢或铸铁锻造而成，以承受发动机运行期间的巨大作用力和应力。
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基本介绍曲轴的制造过程包括几个复杂的步骤，包括锻造、机加工、热处理和平衡，锻造有助于调整金属的晶粒结构，增强其强度。随后的加工过程确保了轴颈和轴承表面尺寸的精度。热处理提高了曲轴的硬度和耐用性。平衡对于最小化发动机振动和确保平稳运行至关重要。机械加工技术和材料的进步使得现代曲轴的设计精度更高、重量更轻。
凸轮轴负责控制发动机进气门和排气门的打开和关闭，它在决定发动机的功率输出、燃油效率和排放性能方面起着至关重要的作用。有不同类型的凸轮轴，包括顶置凸轮轴(OHC)和推杆凸轮轴(OHV)。顶置凸轮轴位于气缸盖上方，顶置凸轮轴位于发动机气缸体内。凸轮轴设计是一个复杂的过程，需要仔细考虑气门升程、持续时间和重叠。
凸轮轴轮廓决定了气门在每个循环中保持打开的时间和打开的程度，最佳凸轮轴正时对于实现期望的发动机性能特征是至关重要的，例如低转速下的高扭矩或高转速下的增加的功率。与曲轴类似，凸轮轴也经历了一丝不苟的制造过程，以确保精度和耐用性。现代凸轮轴通常由铸铁或合金钢制成，凸轮凸角被精心加工成特定的轮廓。
高性能发动机通常采用由钢坯或先进复合材料制成的凸轮轴来减轻重量和提高性能，随着汽车工业向电气化和替代能源发展，曲轴和凸轮轴的作用可能会发生变化。混合动力和电动动力系统需要不同的动力传输方式，更少或没有活塞等往复运动部件，并有可能用电动马达取代传统的曲轴。凸轮轴技术也可以适应可变气门正时系统和其他先进的发动机控制机制。
主要功能内燃机是工程学的奇迹，它彻底改变了交通和工业。每台往复式发动机的核心都有两个基本部件:曲轴和凸轮轴。曲轴将直线运动转化为旋转运动，使发动机产生动力并驱动车轮。另一方面，凸轮轴控制进气门和排气门的打开和关闭，这对发动机的性能和效率至关重要。曲轴是将发动机活塞的往复运动转化为旋转运动的重要部件。
它通过将活塞的上下运动转化为连续的圆周运动来实现这一点，从而将发动机的功率传递给传动系统和车轮。这种能量转换对于推进车辆和向车轮传递扭矩至关重要。当曲轴旋转时，它产生各种力和力矩。设计曲轴的一个重大挑战是确保这些力和力矩平衡，以最小化振动并提高发动机的平稳性。
不平衡的力会导致不希望的振动，这不仅会损害发动机的性能，还会增加发动机部件的磨损，通过精心的设计、材料选择和精确的制造过程，可以实现适当的平衡。凸轮轴在控制发动机进气门和排气门正时方面起着至关重要的作用。这些阀门必须在发动机四冲程循环(进气、压缩、做功和排气)的特定时间打开和关闭。
这些参数显著影响发动机的性能特征，例如功率输出、扭矩曲线和燃料效率，工程师仔细设计凸轮轴轮廓，以适应发动机的预期目的，考虑车辆类型、所需动力带和排放要求等因素。内燃机中通常使用两种主要类型的凸轮轴配置:顶置凸轮轴(OHC)和推杆凸轮轴(OHV)。顶置凸轮轴位于气缸盖上方，顶置凸轮轴位于发动机气缸体内。
OHC配置通常因其每个气缸容纳多个气门的能力而受到青睐，从而允许更好的发动机换气和更高的RPM潜力。另一方面，OHV设计以其紧凑性和机械简单性而闻名，这使得它们适用于某些发动机布局。为了进一步优化发动机性能，已经引入了可变气门正时系统。这些系统允许根据发动机转速、负载和其他运行条件实时调整凸轮轴的正时、升程和持续时间。
VVT系统提供了诸多优势，如改善低端扭矩、提高燃油效率和减少排放，随着制造商努力满足严格的排放法规并提高整体效率，它们在现代发动机中变得越来越普遍。曲轴和凸轮轴是为内燃机提供动力的两个重要部件。曲轴在将直线运动转换为旋转运动中的作用以及凸轮轴在控制气门正时、升程和持续时间中的功能对于发动机的性能和效率是不可或缺的。
产品类别与交叉平面曲轴不同，平面设计中的所有曲柄销都位于同一平面，从而在气缸之间提供完美的平衡。这种设计选择有利于降低内部摩擦，从而提高发动机效率和转速。然而，平面曲轴会产生更强的振动，在某些应用中需要额外的措施来抑制这些影响。顶置凸轮轴(OHC)配置在现代发动机中很普遍，因为它能够适应每个气缸多个气门。
在这种设计中，凸轮轴位于气缸盖上方，由发动机的正时皮带或链条驱动，OHC凸轮轴提供精确的气门控制，允许改善发动机呼吸和更高的转速能力。这种类型常见于四缸和多缸发动机，有助于提高性能和燃油效率。推杆凸轮轴，也称为顶置气门(OHV)凸轮轴，是许多V8发动机和一些小排量发动机中使用的传统设计。
与顶置凸轮轴不同，推杆凸轮轴位于发动机气缸体内，由驱动气门的推杆操作，虽然这种设计在机械上更简单和更紧凑，但它对每个气缸的气门数量有限制，这会限制发动机在更高的转速下呼吸。尽管如此，推杆技术的进步已经允许在某些应用中提高性能和燃油效率。双顶置凸轮轴(DOHC)配置通过每个气缸组有两个凸轮轴，将OHC设计向前推进了一步。
DOHC凸轮轴常见于高性能发动机，以其精确的气门控制和高转速潜力而闻名。这种设计允许每个气缸有多个进气门和排气门，优化了发动机的换气和功率输出。虽然DOHC凸轮轴提供了出色的性能优势，但它们的制造和维护可能会更加复杂。内燃机中曲轴和凸轮轴配置的多样性凸显了这些部件的多功能性。
主要用途也许曲轴和凸轮轴最广为人知和最广泛的应用是在汽车发动机中，这些发动机为从小型客车到重型卡车的各种尺寸的车辆提供动力。在汽车发动机中，曲轴的主要功能是将活塞的往复运动转化为旋转运动，最终驱动车轮并推动车辆前进，凸轮轴调节发动机的气门正时，确保适当的空气燃料混合物吸入和废气排出，以实现最佳燃烧和性能。
除了汽车发动机之外，曲轴和凸轮轴还广泛应用于为各种机器和设备提供动力的工业发动机中。工业发动机可以在建筑机械、农业设备、发电机、压缩机和其他重型应用中找到。这些发动机需要坚固的曲轴来承受高负荷和可变的工作条件。凸轮轴在控制工业发动机气门正时以实现特定任务所需的功率输出和效率方面起着至关重要的作用。
船用发动机用于各种大小的船舶，依靠曲轴和凸轮轴为推进和船上系统提供可靠的动力，船用发动机必须高效运行并能承受恶劣的条件，包括暴露在盐水中和长时间连续运行。船用曲轴和凸轮轴的设计和材料必须考虑到这些挑战，以确保长久的性能和可靠性。曲轴和凸轮轴也用于飞机发动机，精密工程和轻质设计是至关重要的。
飞机发动机必须提供高功率重量比才能飞行，曲轴在将往复运动转化为旋转运动中的作用对于推进飞机至关重要。凸轮轴必须提供精确的气门正时，以优化发动机在不同海拔和空速下的性能。除了传统的内燃机，曲轴和凸轮轴在发电系统中也发挥着作用。在用于发电机的往复式发动机中，曲轴将活塞的线性运动转换成旋转运动，然后用于发电。
结语这种系统中的凸轮轴确保了高效燃烧和动力输出的精确正时，曲轴和凸轮轴不仅限于发动机；它们在各种机械系统中也有应用。在制造业中使用的机械压力机中，曲轴将旋转运动转化为往复运动，使机器能够成型金属和其他材料。凸轮轴也用于需要精确运动的机械中，如印刷机、纺织机械和自动化生产线。
曲轴和凸轮轴的应用是多样而深远的，从为汽车和工业发动机提供动力到驱动船舶和飞机，这些部件是无数机械系统的核心。它们转换运动、调节气门正时和提供可靠性能的能力已经改变了运输、工业和发电。随着技术的不断进步，曲轴和凸轮轴设计的进一步创新可能会带来更高效、更强大的机器，推动各个领域的进步。
参考文献
【1】《机械原理与机械零件》屈国华、康介铎、黄文灿、何元庚高等教育出版2011年
【2】《机械零部件设计》张金美机械工业出版社2019年6月
【3】《机械零件常识》黄文机械工业出版社2019年4月
