轻型高强度纤维加强塑料凸轮轴模块

车辆采用轻型零部件可有效降低CO2排放，因此Mahle公司与FraunhoferICT公司合作开发出了1种通过高强度纤维加强的塑料凸轮轴模块。目前，该模块已成功地通过了零件试验过程。通过选择合适的材料、制造工艺和模块结构型式，并合理实现塑料的功能组合，能有效降低模块的制造成本。

0 前言

降低交通运输过程中的CO2排放是1项重要目标，而减轻整车质量有助于实现该目标。在车辆以内燃机作为动力来源的情况下，可通过采用塑料构件以减轻其质量。但是，目前作为发动机重要组成部分的凸轮轴模块始终由铝材制成。

目前，在德国国内开展的研究项目中，部分研究人员已开发出了1种通过高强度纤维加强的塑料凸轮轴模块，并成功地通过了零部件试验。除了可减轻整机质量之外，该措施还可有效改善经济性。研究人员通过选用合适的材料、制造工艺和模块结构型式，并利用塑料的功能组合，可有效降低模块的制造成本。

研究人员选择由Mercedes-Benz公司量产的M282型发动机作为试验载体，这种4缸汽油机的气缸盖采用了三角形的结构型式(图1)。进排气凸轮轴被安装在分立式轴承衬套中，并通过1个罩盖进行密封。该项目的研发目标是通过1种轻型结构塑料凸轮轴模块以替代传统的结构型式。

1 技术要求和材料选择

对材料的选择主要取决于系统对构件的要求。由于材料会直接影响到发动机及整体式凸轮轴轴承的制造过程，即便在环境温度高达180 ℃的情况下，该材料仍具有良好的强度和刚度。同时，考虑到水和机油等介质的影响，该类部件还必须具有较高的耐久稳定性。

根据上述要求，研究人员会优先选用热固性塑料以替代热塑性塑料。热固性塑料具有较高的温度和介质耐久稳定性，具有该特点的主要原因在于热固性塑料中的高分子通过网状结构而得以紧密连接。目前，1种经玻璃纤维加强的酚醛树脂模塑材料已被研究人员正式选用。该类材料除了在较高的使用温度下，仍能保持良好的机械性能和必要的介质耐久稳定性之外，同时还具有较高的抗压强度和较小的密度，并且在长期运行后不会产生蠕变现象。此外，该类材料的热膨胀系数与铝材相似，从而有助于降低发动机运行时所承受的热应力，因为除凸轮轴之外，其周围大多数构件均为铝制件。该类材料的另1项优点是能通过注塑方法进行制造。热固性塑料注塑工艺能在出色的重复精度情况下制造出机械性能较为均衡的构件，而且生产周期较短，制造设备使用寿命较长，并能投入大批量生产。

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2 开发方案和结构设计

研究人员针对此类凸轮轴模块的功能和材料要求进行了全新开发，同时将现有的发动机气缸盖作为开发基础，并已在凸轮轴安装位置范围内对样品进行了调整。为了能采用带有封闭轴承座的凸轮轴模块，必须铣削掉气缸盖上现有的凸轮轴轴承座，而其与气缸盖和正时传动机构壳体罩盖的密封面则保持不变，并继续投入使用。热固性塑料特有的性能在设计过程中起着决定性的作用。在原轴承座和模块螺栓的紧固范围内，研究人员通过对几何形状进行设计，可使由气门机构产生的应力优先转化成压力。为此，研究人员将配备有铝制镶嵌件的轴承座设定为分立式，并有足够的空隙以用于凸轮轴的热膨胀过程。由于热固性塑料具有较高的强度和刚度，因而能取消模块与气缸盖及正时传动机构壳体罩盖内的镶嵌件。为了使凸轮轴模块能投入正常运行，其与气缸盖螺栓的连接区域未采用防松装置，从而使整个凸轮轴模块作为1类发动机组件，并投入使用。

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3 模拟

研究人员借助于有限元模拟，以此确保了计算的精确性和对设计过程的充分优化。临界机械负荷和热负荷来自于量产发动机，并且被用作于模型模拟过程的边界条件。研究人员对轴承位移进行了限制，因为热固性塑料的弹性模数比铝更小，因此该目标通常难以实现。但是，在研究人员经过多次优化设计后，依然改善了整个模块的刚度，从而使轴承位移保持在容许的误差范围内(图2)。同样，研究人员通过设计优化，使局部应力的最大值降至最低程度，从而实现了所要求的疲劳强度(图3)。

4 模具设计和制造

在结构设计得到最终认可之前，由材料制造商对其进行充填模拟，以查明理想的浇注位置，并检验模具腔能否被完全填满。为了有效制造出该类凸轮轴模块，需要使用由几部分组成，并配备有镶嵌件和自由活动模块的注塑模具。其中1个平均直径为8 mm的活动模块被拔出，并以此作为贯穿整个凸轮轴模块的机油主油道(图4)。该活动模块在拔出过程期间仍支承着油道，以保持其方位。研究人员对相应的工具与模具结构进行了协同设计，并在注塑机上进行调试，注塑机可注塑体积约为0.6 L的构件。制成的样品后续将会经历1个退火过程，从而使塑料分子得以结合，以释放材料中的应力，并改善机械性能。

文章来源：《塑料》 网址: http://www.slzzs.cn/zonghexinwen/2021/0408/1008.html