這一纖維增強(qiáng)熱固性塑料制成的部件可降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量

    來自德國弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所（Fraunhofer ICT）的一個(gè)研究小組在與其合作伙伴合作開發(fā)的過程中，采用纖維增強(qiáng)熱固性塑料成功地制成了一個(gè)凸輪軸模塊。

 

    這一采用輕量化設(shè)計(jì)的部件有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和裝配成本，目前已被用作功能示范。

 

    凸輪軸通常被用來確保內(nèi)燃機(jī)中的充油循環(huán)閥精確、可靠地閉合，這些閥位于凸輪軸模塊中。

 

    雖然制造凸輪軸的標(biāo)準(zhǔn)材料依然是鋁金屬，但汽車制造商和供應(yīng)商們正在努力制造采用輕量化設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)及其部件。

 

    減重是降低CO2排放最有效的方法之一，為此，F(xiàn)raunhofer ICT 的研究人員們正在利用其全新開發(fā)的由熱固性復(fù)合材料制成的凸輪軸模塊來為汽車行業(yè)提供支持。

 

    與馬勒集團(tuán)及相關(guān)的合作伙伴如戴姆勒、SBHPP/Vyncolit和Georges Pernoud合作，使得這一輕量化的凸輪軸被開發(fā)出來。德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部（BMWi）一直在為此項(xiàng)目提供資助。

 

    在選擇合適的聚合物時(shí)，該項(xiàng)目的合作伙伴們選用了高強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)熱固性聚合物，因?yàn)樗鼈兡艹惺芨邷匾约坝芍T如合成機(jī)油和冷卻液等引起的機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力。

 

    Fraunhofer ICT 的研究員Thomas Sorg說：“我們提供了如何設(shè)計(jì)部件形狀以使其與材料和工藝相適應(yīng)從而滿足所有要求的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。該凸輪軸模塊位于氣缸蓋中，這通常處在動(dòng)力總成的上部安裝空間，因而對(duì)此減重具有特別的意義，因?yàn)檫@還有助于降低車輛重心。”

 

 

   鋁鑄件在鑄造后通常需要大量的再加工，導(dǎo)致成本增高。

 

   纖維增強(qiáng)熱固性聚合物由于能夠?qū)崿F(xiàn)近凈形狀的生產(chǎn)，因而減少了相應(yīng)的再加工量，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的降低。

 

   而且，用于注射熱固性聚合物的模具擁有多達(dá)50萬個(gè)部件的使用壽命，這要明顯高于高壓壓鑄鋁用的模具。

 

   此外，與鋁相比，由高纖維含量增強(qiáng)的塑料所帶來的CO2排放明顯更低，因?yàn)橹圃熹X這種輕金屬的能耗很高。

 

   另外，汽車制造商們渴望降低噪聲，因?yàn)榘l(fā)出咔噠聲的汽車不僅讓人生厭，而且競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)明顯。

 

   所以，在評(píng)估車輛質(zhì)量的因素列表中，NVH性能排名靠前。

 

   在此方面，聚合物則提供了良好的阻尼性。

 

    該凸輪軸模塊采用了集成軸承的整體式設(shè)計(jì)，也就是說，它可整體制造成型，從而縮短了在發(fā)動(dòng)機(jī)制造工廠中的裝配時(shí)間。

 

    汽車制造商們從其供應(yīng)商處獲得的是預(yù)裝配的模塊，因而只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的安裝操作，就能將其安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上，而無需浪費(fèi)時(shí)間單獨(dú)安裝凸輪軸。

 

    這一創(chuàng)新的解決方案還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：位于凸輪軸軸承高應(yīng)力區(qū)域的鋁鑲塊能夠直接吸收沖擊力。

 

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   在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的600h試驗(yàn)

 

   在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行初始試驗(yàn)時(shí)，這些研究人員及其同事看到了積極的性能表現(xiàn)，并證實(shí)了與鋁參照部件相比重量的降低。

 

    模擬計(jì)算則為工程師們?cè)陂_始生產(chǎn)之前設(shè)計(jì)和驗(yàn)證原型提供了幫助。

 

    Thomas Sorg強(qiáng)調(diào)說：“與采用輕質(zhì)金屬制造同樣的部件相比，我們采用熱固性聚合物材料來制造凸輪軸模塊顯然要更加容易，而且我們可以采用注塑成型工藝實(shí)現(xiàn)低成本的生產(chǎn)。雖然熱固性聚合物的剛性只有鋁的1/4，但采用的設(shè)計(jì)方法卻使我們實(shí)現(xiàn)了最大允許的變形。”

 

    在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上經(jīng)過600 h的試驗(yàn)后，這一輕量化設(shè)計(jì)的部件在一臺(tái)最先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)中展示出了完美的功能。

 

   考慮到燃燒過程中產(chǎn)生的氣體力，該項(xiàng)目合作伙伴想要借助計(jì)劃中的燃油噴射試驗(yàn)來證明功能和NVH性能。