輕型高強(qiáng)度纖維加強(qiáng)塑料凸輪軸模塊

車輛采用輕型零部件可有效降低CO2排放，因此Mahle公司與FraunhoferICT公司合作開發(fā)出了1種通過高強(qiáng)度纖維加強(qiáng)的塑料凸輪軸模塊。目前，該模塊已成功地通過了零件試驗(yàn)過程。通過選擇合適的材料、制造工藝和模塊結(jié)構(gòu)型式，并合理實(shí)現(xiàn)塑料的功能組合，能有效降低模塊的制造成本。

0 前言

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降低交通運(yùn)輸過程中的CO2排放是1項(xiàng)重要目標(biāo)，而減輕整車質(zhì)量有助于實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。在車輛以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力來源的情況下，可通過采用塑料構(gòu)件以減輕其質(zhì)量。但是，目前作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分的凸輪軸模塊始終由鋁材制成。

目前，在德國國內(nèi)開展的研究項(xiàng)目中，部分研究人員已開發(fā)出了1種通過高強(qiáng)度纖維加強(qiáng)的塑料凸輪軸模塊，并成功地通過了零部件試驗(yàn)。除了可減輕整機(jī)質(zhì)量之外，該措施還可有效改善經(jīng)濟(jì)性。研究人員通過選用合適的材料、制造工藝和模塊結(jié)構(gòu)型式，并利用塑料的功能組合，可有效降低模塊的制造成本。

研究人員選擇由Mercedes-Benz公司量產(chǎn)的M282型發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)載體，這種4缸汽油機(jī)的氣缸蓋采用了三角形的結(jié)構(gòu)型式（圖1）。進(jìn)排氣凸輪軸被安裝在分立式軸承襯套中，并通過1個(gè)罩蓋進(jìn)行密封。該項(xiàng)目的研發(fā)目標(biāo)是通過1種輕型結(jié)構(gòu)塑料凸輪軸模塊以替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。

1 技術(shù)要求和材料選擇

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對(duì)材料的選擇主要取決于系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件的要求。由于材料會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)及整體式凸輪軸軸承的制造過程，即便在環(huán)境溫度高達(dá)180 ℃的情況下，該材料仍具有良好的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，考慮到水和機(jī)油等介質(zhì)的影響，該類部件還必須具有較高的耐久穩(wěn)定性。

根據(jù)上述要求，研究人員會(huì)優(yōu)先選用熱固性塑料以替代熱塑性塑料。熱固性塑料具有較高的溫度和介質(zhì)耐久穩(wěn)定性，具有該特點(diǎn)的主要原因在于熱固性塑料中的高分子通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而得以緊密連接。目前，1種經(jīng)玻璃纖維加強(qiáng)的酚醛樹脂模塑材料已被研究人員正式選用。

該類材料除了在較高的使用溫度下，仍能保持良好的機(jī)械性能和必要的介質(zhì)耐久穩(wěn)定性之外，同時(shí)還具有較高的抗壓強(qiáng)度和較小的密度，并且在長期運(yùn)行后不會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。

此外，該類材料的熱膨脹系數(shù)與鋁材相似，從而有助于降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所承受的熱應(yīng)力，因?yàn)槌馆嗇S之外，其周圍大多數(shù)構(gòu)件均為鋁制件。該類材料的另1項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是能通過注塑方法進(jìn)行制造。熱固性塑料注塑工藝能在出色的重復(fù)精度情況下制造出機(jī)械性能較為均衡的構(gòu)件，而且生產(chǎn)周期較短，制造設(shè)備使用壽命較長，并能投入大批量生產(chǎn)。

2 開發(fā)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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研究人員針對(duì)此類凸輪軸模塊的功能和材料要求進(jìn)行了全新開發(fā)，同時(shí)將現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋作為開發(fā)基礎(chǔ)，并已在凸輪軸安裝位置范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行了調(diào)整。

為了能采用帶有封閉軸承座的凸輪軸模塊，必須銑削掉氣缸蓋上現(xiàn)有的凸輪軸軸承座，而其與氣缸蓋和正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體罩蓋的密封面則保持不變，并繼續(xù)投入使用。熱固性塑料特有的性能在設(shè)計(jì)過程中起著決定性的作用。

在原軸承座和模塊螺栓的緊固范圍內(nèi)，研究人員通過對(duì)幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使由氣門機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力優(yōu)先轉(zhuǎn)化成壓力。為此，研究人員將配備有鋁制鑲嵌件的軸承座設(shè)定為分立式，并有足夠的空隙以用于凸輪軸的熱膨脹過程。

由于熱固性塑料具有較高的強(qiáng)度和剛度，因而能取消模塊與氣缸蓋及正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體罩蓋內(nèi)的鑲嵌件。為了使凸輪軸模塊能投入正常運(yùn)行，其與氣缸蓋螺栓的連接區(qū)域未采用防松裝置，從而使整個(gè)凸輪軸模塊作為1類發(fā)動(dòng)機(jī)組件，并投入使用。

3 模擬

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研究人員借助于有限元模擬，以此確保了計(jì)算的精確性和對(duì)設(shè)計(jì)過程的充分優(yōu)化。臨界機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷來自于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且被用作于模型模擬過程的邊界條件。研究人員對(duì)軸承位移進(jìn)行了限制，因?yàn)闊峁绦运芰系膹椥阅?shù)比鋁更小，因此該目標(biāo)通常難以實(shí)現(xiàn)。

但是，在研究人員經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)后，依然改善了整個(gè)模塊的剛度，從而使軸承位移保持在容許的誤差范圍內(nèi)（圖2）。同樣，研究人員通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，使局部應(yīng)力的最大值降至最低程度，從而實(shí)現(xiàn)了所要求的疲勞強(qiáng)度（圖3）。

圖2 針對(duì)凸輪軸模塊剛度的有限元模擬

圖3 針對(duì)凸輪軸模塊疲勞強(qiáng)度的有限元模擬

4 模具設(shè)計(jì)和制造

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在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到最終認(rèn)可之前，由材料制造商對(duì)其進(jìn)行充填模擬，以查明理想的澆注位置，并檢驗(yàn)?zāi)＞咔荒芊癖煌耆顫M。為了有效制造出該類凸輪軸模塊，需要使用由幾部分組成，并配備有鑲嵌件和自由活動(dòng)模塊的注塑模具。

其中1個(gè)平均直徑為8 mm的活動(dòng)模塊被拔出，并以此作為貫穿整個(gè)凸輪軸模塊的機(jī)油主油道（圖4）。該活動(dòng)模塊在拔出過程期間仍支承著油道，以保持其方位。研究人員對(duì)相應(yīng)的工具與模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了協(xié)同設(shè)計(jì)，并在注塑機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，注塑機(jī)可注塑體積約為0.6 L的構(gòu)件。

制成的樣品后續(xù)將會(huì)經(jīng)歷1個(gè)退火過程，從而使塑料分子得以結(jié)合，以釋放材料中的應(yīng)力，并改善機(jī)械性能。

圖4 機(jī)油主油道和凸輪軸軸承油孔的剖視圖

由于氣缸蓋和凸輪隨動(dòng)件的接口界面上的公差范圍較小，研究人員必須對(duì)凸輪軸模塊進(jìn)行機(jī)械加工。該機(jī)械加工流程通常須經(jīng)歷2次裝夾過程。研究人員在第1次裝夾過程中對(duì)密封面、基準(zhǔn)孔、長占孔、密封定位孔及機(jī)油孔進(jìn)行了加工，并在第2次裝夾過程中加工全部的軸承襯套孔。

為了使軸承保有較小公差，研究人員使用了1種可實(shí)現(xiàn)自行支承的專用工具，并且在壓緊狀態(tài)下進(jìn)行加工，以便使凸輪軸模塊的變形與通過螺栓壓緊時(shí)的效果相同。

研究人員借助于傳統(tǒng)的熱壓配合方法以實(shí)現(xiàn)凸輪軸的套裝接合過程。為此，在凸輪位置傳感輪和軸向軸承襯套有效接合在芯軸上之前，研究人員必須使其角度方位實(shí)現(xiàn)有效對(duì)中，緊接著對(duì)上述套裝件進(jìn)行加熱，并將其接合在芯軸上。

在套裝接合的過程期間，因接合時(shí)間較短，熱固性塑料不會(huì)出現(xiàn)過熱的風(fēng)險(xiǎn)。待套裝接合好后，采用機(jī)油潤滑軸承，以此可避免軸承部位和凸輪軸頸因運(yùn)轉(zhuǎn)而損壞。為此，研究人員要對(duì)凸輪軸的重要特性進(jìn)行測量和驗(yàn)證，此外還要測試凸輪軸在軸承襯套中的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性，在沒有對(duì)螺栓壓緊狀態(tài)進(jìn)行查明時(shí)，應(yīng)使其轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小于3 N·m。

5 試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證

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研究人員在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證之前，就已對(duì)樣品的品質(zhì)和機(jī)械性能進(jìn)行過試驗(yàn)，其中重點(diǎn)對(duì)熱固性塑料及其與鑲嵌件的接口界面進(jìn)行了檢測，并借助于計(jì)算機(jī)掃描軟件檢查出了構(gòu)件塑料中的缺陷并將其妥善解決，以此有效避免了重大問題的產(chǎn)生。

此外，研究人員還對(duì)螺紋鑲嵌件從外側(cè)進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，并對(duì)周圍注塑的凸輪軸軸承襯套進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)和壓出試驗(yàn)。試驗(yàn)取得了令人滿意的結(jié)果，凸輪軸軸承襯套的扭轉(zhuǎn)力矩大于186 N·m，軸向壓出力大于9.9 kN，螺紋鑲嵌件的平均拉出力為4.3 kN。

繼預(yù)試驗(yàn)后，研究人員隨即在倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)凸輪軸模塊進(jìn)行了驗(yàn)證，將尚未配裝曲柄連桿機(jī)構(gòu)的量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)（Mercedes-Benz公司M282型發(fā)動(dòng)機(jī)）安裝在氣缸蓋試驗(yàn)臺(tái)上，并在氣缸蓋排氣側(cè)換裝了量產(chǎn)的凸輪軸模塊。同時(shí)，在當(dāng)前的螺栓緊固條件下，配裝在模塊中的凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩同樣應(yīng)小于3 N·m。圖5詳細(xì)描述了試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)。

圖5 倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

圖6示出了用于運(yùn)行過程的試驗(yàn)程序。試驗(yàn)期間，機(jī)油溫度為100±5 ℃，機(jī)油最高壓力為0.30±0.05 MPa，并且發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體側(cè)的84 ℃冷卻水循環(huán)可用于調(diào)節(jié)機(jī)油溫度，試驗(yàn)程序中的最高轉(zhuǎn)速約為6 250 r/min。試驗(yàn)進(jìn)行100 h后即告暫停，研究人員首次對(duì)凸輪軸模塊的狀況進(jìn)行了檢查。如果所有構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯的異常狀況，隨即開展時(shí)長為500 h的后續(xù)試驗(yàn)過程。

圖6 倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)程序

這種凸輪軸模塊成功地完成了超過600 h的耐久試驗(yàn)過程。在該試驗(yàn)過程的前后，研究人員均采用光學(xué)三維（3D）測量系統(tǒng)對(duì)該模塊進(jìn)行了變形分析，同時(shí)后續(xù)的試驗(yàn)過程仍顯示出良好的結(jié)果。將凸輪軸從模塊中解體就能檢查出耐久運(yùn)行后的軸承部位狀況。如圖7所示，所有軸承部位均未出現(xiàn)明顯的異常狀況，因此成功地展示和證實(shí)了新開發(fā)的輕型凸輪軸模塊的工作能力。

圖7 在進(jìn)行耐久運(yùn)行后的軸承部位狀況

6 減輕質(zhì)量并節(jié)約成本

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除了成功地展示出輕型凸輪軸模塊的工作能力之外，該項(xiàng)技術(shù)改良也充分實(shí)現(xiàn)了減輕質(zhì)量和降低成本的目標(biāo)。與量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式相比，采用熱固性塑料模塊的氣缸蓋的質(zhì)量減輕了0.6 kg。一方面是因?yàn)椴捎昧四K結(jié)構(gòu)型式，另一方面則是由于使用了塑料材質(zhì)。

針對(duì)區(qū)分效果的分析表明，應(yīng)用熱固性塑料能使模塊的質(zhì)量比同款的鋁制件減輕約20%。與傳統(tǒng)量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式相比，在使用批量生產(chǎn)的輕型凸輪軸模塊的情況下，與成本密切相關(guān)的軸承襯套、凸輪軸相位調(diào)節(jié)器和傳感器也應(yīng)考慮在內(nèi)。

7 結(jié)語和展望

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正如新開發(fā)的輕型凸輪軸模塊所示，在動(dòng)力總成系統(tǒng)中使用塑料可有效減輕質(zhì)量，充分降低成本。目前，研究人員正計(jì)劃在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)該類模塊，并且還對(duì)其聲學(xué)特性開展了相關(guān)研究。試驗(yàn)表明，應(yīng)用熱固性塑料能充分改善整機(jī)聲學(xué)性能，并能相應(yīng)降低噪聲輻射。

除此之外，最佳的制造工藝和模具在批量應(yīng)用方面有著廣闊前景，以致于構(gòu)件在無需刀具加工的前提下，即可棄用常規(guī)的后處理流程。

同樣，將溫室氣體排放降至最低程度的研究也勢在必行。在后續(xù)使用過程期間，研究人員需要對(duì)其環(huán)保效果開展評(píng)估，同時(shí)也應(yīng)對(duì)其技術(shù)潛力進(jìn)行分析及驗(yàn)證。

編輯：jq