Fraunhofer ICT开发的热固性凸轮轴模块降低发动机的重量和安装成本

 

这一纤维增强热固性塑料制成的部件可降低发动机的重量

    来自德国弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer ICT）的一个研究小组在与其合作伙伴合作开发的过程中，采用纤维增强热固性塑料成功地制成了一个凸轮轴模块。

 

    这一采用轻量化设计的部件有助于降低发动机的重量和装配成本，目前已被用作功能示范。

 

    凸轮轴通常被用来确保内燃机中的充油循环阀精确、可靠地闭合，这些阀位于凸轮轴模块中。

 

    虽然制造凸轮轴的标准材料依然是铝金属，但汽车制造商和供应商们正在努力制造采用轻量化设计的动力系统及其部件。

 

    减重是降低CO2排放最有效的方法之一，为此，Fraunhofer ICT 的研究人员们正在利用其全新开发的由热固性复合材料制成的凸轮轴模块来为汽车行业提供支持。

 

    与马勒集团及相关的合作伙伴如戴姆勒、SBHPP/Vyncolit和Georges Pernoud合作，使得这一轻量化的凸轮轴被开发出来。德国联邦经济事务和能源部（BMWi）一直在为此项目提供资助。

 

    在选择合适的聚合物时，该项目的合作伙伴们选用了高强度的纤维增强热固性聚合物，因为它们能承受高温以及由诸如合成机油和冷却液等引起的机械应力和化学应力。

 

    Fraunhofer ICT 的研究员Thomas Sorg说：“我们提供了如何设计部件形状以使其与材料和工艺相适应从而满足所有要求的相关经验。该凸轮轴模块位于气缸盖中，这通常处在动力总成的上部安装空间，因而对此减重具有特别的意义，因为这还有助于降低车辆重心。”

 

 

   铝铸件在铸造后通常需要大量的再加工，导致成本增高。

 

   纤维增强热固性聚合物由于能够实现近净形状的生产，因而减少了相应的再加工量，导致生产成本的降低。

 

   而且，用于注射热固性聚合物的模具拥有多达50万个部件的使用寿命，这要明显高于高压压铸铝用的模具。

 

   此外，与铝相比，由高纤维含量增强的塑料所带来的CO2排放明显更低，因为制造铝这种轻金属的能耗很高。

 

   另外，汽车制造商们渴望降低噪声，因为发出咔哒声的汽车不仅让人生厌，而且竞争劣势明显。

 

   所以，在评估车辆质量的因素列表中，NVH性能排名靠前。

 

   在此方面，聚合物则提供了良好的阻尼性。

 

    该凸轮轴模块采用了集成轴承的整体式设计，也就是说，它可整体制造成型，从而缩短了在发动机制造工厂中的装配时间。

 

    汽车制造商们从其供应商处获得的是预装配的模块，因而只需几个简单的安装操作，就能将其安装到发动机上，而无需浪费时间单独安装凸轮轴。

 

    这一创新的解决方案还有一个优势是：位于凸轮轴轴承高应力区域的铝镶块能够直接吸收冲击力。

 

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   在发动机试验台上的600h试验

 

   在发动机试验台上进行初始试验时，这些研究人员及其同事看到了积极的性能表现，并证实了与铝参照部件相比重量的降低。

 

    模拟计算则为工程师们在开始生产之前设计和验证原型提供了帮助。

 

    Thomas Sorg强调说：“与采用轻质金属制造同样的部件相比，我们采用热固性聚合物材料来制造凸轮轴模块显然要更加容易，而且我们可以采用注塑成型工艺实现低成本的生产。虽然热固性聚合物的刚性只有铝的1/4，但采用的设计方法却使我们实现了最大允许的变形。”

 

    在发动机试验台上经过600 h的试验后，这一轻量化设计的部件在一台最先进的内燃机中展示出了完美的功能。

 

   考虑到燃烧过程中产生的气体力，该项目合作伙伴想要借助计划中的燃油喷射试验来证明功能和NVH性能。