凸輪軸的前世今生
2015-05-18
凸輪軸英文全稱為Overhead camshaft，簡稱OHC。一般發(fā)動機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)動搖臂、氣門，不必通過較長的推桿。與氣門數(shù)相同的推桿式發(fā)動機（即頂置氣門結(jié)構(gòu)）相比，頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)中需要往復(fù)運動的部件要少得多，因此大大簡化了配氣結(jié)構(gòu)，顯著減輕了發(fā)動機重量，同時也提高了傳動效率、降低了工作噪音。盡管頂置凸輪軸使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，但是它帶來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)動機結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機制造商很快在產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用這一設(shè)計。頂置凸輪軸與頂置氣門結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式并不一定不同。動力可以通過正時皮帶、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)計的發(fā)動機達到比采用頂置氣門結(jié)構(gòu)或整體式凸輪軸結(jié)構(gòu)的發(fā)動機更高的轉(zhuǎn)速。如今，許多頂置凸輪軸發(fā)動機都采用了多氣門結(jié)構(gòu)或可變氣門正時結(jié)構(gòu)以提升發(fā)動機的工作效率和動力表現(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。采用這一設(shè)計的直列汽缸發(fā)動機只需一條安放在汽缸蓋上方的凸輪軸，而V形汽缸發(fā)動機則需要兩條凸輪軸，分別安放在一側(cè)汽缸組之上。
單頂置凸輪設(shè)計中，需要往復(fù)運動的部件及其總質(zhì)量較同等條件下的推桿式發(fā)動機顯著減少。因此單頂置凸輪軸能提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而在輸出扭矩相同的情況下提高發(fā)動機的功率輸出。在這一設(shè)計中，凸輪軸能夠直接或通過搖臂控制氣門開閉，而不需像頂置氣門的推桿式發(fā)動機樣，需要通過挺桿、較長的推桿以及搖臂將發(fā)動機組內(nèi)凸輪軸上凸輪的運動傳遞到汽缸蓋內(nèi)的氣門上。
相比推桿式結(jié)構(gòu)，單頂置凸輪軸設(shè)計能使發(fā)動機結(jié)構(gòu)（主要是配氣結(jié)構(gòu)）更加緊湊。這一優(yōu)勢在同時采用多氣門設(shè)計（即一個汽缸有兩個以上的氣門）時特別顯著。不過有時為進行調(diào)節(jié)的單頂置凸輪軸發(fā)動機的典型。希爾曼頑童是一款1960年代初設(shè)計制造的小型雙門轎車。其后置合金發(fā)動機是由考文垂頂點（CoventryClimax）系列賽車發(fā)動機改進而來的。在這臺發(fā)動機中，進氣與排氣氣門被安放在發(fā)動機體的同一側(cè)，因而無需采用交叉氣流汽缸蓋（crossflow cylinder head）的設(shè)計，同時有利于火花塞的工作。
不過單頂置凸輪軸也有其缺點。由于進氣門和排氣門在進氣道中位置不同，氣門開閉時間的精確性會受到一定影響。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發(fā)動機中使用過直接驅(qū)動、平行氣門的結(jié)構(gòu)以使體積進一步緊湊。豐田采用的是液壓挺桿，而大眾汽車采用的是桶狀挺桿，同時還配備了氣門間隙調(diào)節(jié)墊片以精確控制氣門開閉時間。在單頂置凸輪軸發(fā)動機的所有氣門排列形式中，這種設(shè)計可能是最為緊湊和簡單的。
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排列形式。兩條凸輪軸分別控制進氣門和排氣門。根據(jù)引擎的構(gòu)造不同（主要是汽缸排列形式的不同），一臺一般的雙頂置凸輪軸汽車發(fā)動機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)動機并不一定有兩個以上的進氣門和排氣門，但是如果多氣門發(fā)動機的氣門需要被直接驅(qū)動（雖然一般都通過挺桿驅(qū)動），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的--在多氣門技術(shù)普及之前，兩氣門發(fā)動機上也經(jīng)常配備兩條凸輪軸。不過在當今，雙頂置凸輪軸已經(jīng)與多氣門技術(shù)劃上了等號，因為在幾乎所有的雙頂置凸輪軸發(fā)動機中，每個汽缸都有三個到五個氣門。
歷史介紹
最早一批采用雙頂置凸輪軸設(shè)計的發(fā)動機分別是由菲亞特（Fiat，于1912年）、標致（于1913年）、阿爾法·羅密歐（于 1914年）設(shè)計制造的。其中后兩者還采用了每缸四氣門的設(shè)計。在后來的阿爾法·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技術(shù)的法拉利（Ferrari）大多使用了雙頂置凸輪軸。
當雙頂置凸輪軸技術(shù)被最初引入主流汽車市場時，汽車制造商對這一技術(shù)進行了大量的推廣。在1960年代中期，正當這一技術(shù)還僅限于少數(shù)限量生產(chǎn)的汽車和運動車上時，菲亞特集團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。
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