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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種通過高強度纖維加強的塑料凸輪軸模塊。目前，該模塊已成功地通過了零件試驗過程。通過選擇合適的材料、制造工藝和模塊結構型式，并合理實現(xiàn)塑料的功能組合，能有效降低模塊的制造成本。

0 前言

降低交通運輸過程中的CO2排放是1項重要目標，而減輕整車質量有助于實現(xiàn)該目標。在車輛以內燃機作為動力來源的情況下，可通過采用塑料構件以減輕其質量。但是，目前作為發(fā)動機重要組成部分的凸輪軸模塊始終由鋁材制成。

目前，在德國國內開展的研究項目中，部分研究人員已開發(fā)出了1種通過高強度纖維加強的塑料凸輪軸模塊，并成功地通過了零部件試驗。除了可減輕整機質量之外，該措施還可有效改善經(jīng)濟性。研究人員通過選用合適的材料、制造工藝和模塊結構型式，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)動機作為試驗載體，這種4缸汽油機的氣缸蓋采用了三角形的結構型式（圖1）。進排氣凸輪軸被安裝在分立式軸承襯套中，并通過1個罩蓋進行密封。該項目的研發(fā)目標是通過1種輕型結構塑料凸輪軸模塊以替代傳統(tǒng)的結構型式。

1 技術要求和材料選擇

對材料的選擇主要取決于系統(tǒng)對構件的要求。由于材料會直接影響到發(fā)動機及整體式凸輪軸軸承的制造過程，即便在環(huán)境溫度高達180 ℃的情況下，該材料仍具有良好的強度和剛度。同時，考慮到水和機油等介質的影響，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耐久穩(wěn)定性，具有該特點的主要原因在于熱固性塑料中的高分子通過網(wǎng)狀結構而得以緊密連接。目前，1種經(jīng)玻璃纖維加強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，仍能保持良好的機械性能和必要的介質耐久穩(wěn)定性之外，同時還具有較高的抗壓強度和較小的密度，并且在長期運行后不會產(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)動機運行時所承受的熱應力，因為除凸輪軸之外，其周圍大多數(shù)構件均為鋁制件。該類材料的另1項優(yōu)點是能通過注塑方法進行制造。熱固性塑料注塑工藝能在出色的重復精度情況下制造出機械性能較為均衡的構件，而且生產(chǎn)周期較短，制造設備使用壽命較長，并能投入大批量生產(chǎn)。

2 開發(fā)方案和結構設計

研究人員針對此類凸輪軸模塊的功能和材料要求進行了全新開發(fā)，同時將現(xiàn)有的發(fā)動機氣缸蓋作為開發(fā)基礎，并已在凸輪軸安裝位置范圍內對樣品進行了調整。

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傳動機構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計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，研究人員通過對幾何形狀進行設計，可使由氣門機構產(chǎn)生的應力優(yōu)先轉化成壓力。為此，研究人員將配備有鋁制鑲嵌件的軸承座設定為分立式，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度和剛度，因而能取消模塊與氣缸蓋及正時傳動機構殼體罩蓋內的鑲嵌件。為了使凸輪軸模塊能投入正常運行，其與氣缸蓋螺栓的連接區(qū)域未采用防松裝置，從而使整個凸輪軸模塊作為1類發(fā)動機組件，并投入使用。

3 模擬

研究人員借助于有限元模擬，以此確保了計算的精確性和對設計過程的充分優(yōu)化。臨界機械負荷和熱負荷來自于量產(chǎn)發(fā)動機，并且被用作于模型模擬過程的邊界條件。研究人員對軸承位移進行了限制，因為熱固性塑料的彈性模數(shù)比鋁更小，因此該目標通常難以實現(xiàn)。

但是，在研究人員經(jīng)過多次優(yōu)化設計后，依然改善了整個模塊的剛度，從而使軸承位移保持在容許的誤差范圍內（圖2）。同樣，研究人員通過設計優(yōu)化，使局部應力的最大值降至最低程度，從而實現(xiàn)了所要求的疲勞強度（圖3）。

圖2 針對凸輪軸模塊剛度的有限元模擬

圖3 針對凸輪軸模塊疲勞強度的有限元模擬

4 模具設計和制造

在結構設計得到最終認可之前，由材料制造商對其進行充填模擬，以查明理想的澆注位置，并檢驗模具腔能否被完全填滿。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模塊的注塑模具。

其中1個平均直徑為8 mm的活動模塊被拔出，并以此作為貫穿整個凸輪軸模塊的機油主油道（圖4）。該活動模塊在拔出過程期間仍支承著油道，以保持其方位。研究人員對相應的工具與模具結構進行了協(xié)同設計，并在注塑機上進行調試，注塑機可注塑體積約為0.6 L的構件。

制成的樣品后續(xù)將會經(jīng)歷1個退火過程，從而使塑料分子得以結合，以釋放材料中的應力，并改善機械性能。

圖4 機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件的接口界面上的公差范圍較小，研究人員必須對凸輪軸模塊進行機械加工。該機械加工流程通常須經(jīng)歷2次裝夾過程。研究人員在第1次裝夾過程中對密封面、基準孔、長占孔、密封定位孔及機油孔進行了加工，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種可實現(xiàn)自行支承的專用工具，并且在壓緊狀態(tài)下進行加工，以便使凸輪軸模塊的變形與通過螺栓壓緊時的效果相同。

研究人員借助于傳統(tǒng)的熱壓配合方法以實現(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現(xiàn)有效對中，緊接著對上述套裝件進行加熱，并將其接合在芯軸上。

在套裝接合的過程期間，因接合時間較短，熱固性塑料不會出現(xiàn)過熱的風險。待套裝接合好后，采用機油潤滑軸承，以此可避免軸承部位和凸輪軸頸因運轉而損壞。為此，研究人員要對凸輪軸的重要特性進行測量和驗證，此外還要測試凸輪軸在軸承襯套中的轉動靈活性，在沒有對螺栓壓緊狀態(tài)進行查明時，應使其轉動力矩小于3 N·m。

5 試驗臺驗證

研究人員在試驗臺上進行驗證之前，就已對樣品的品質和機械性能進行過試驗，其中重點對熱固性塑料及其與鑲嵌件的接口界面進行了檢測，并借助于計算機掃描軟件檢查出了構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，研究人員還對螺紋鑲嵌件從外側進行了拉拔試驗，并對周圍注塑的凸輪軸軸承襯套進行了扭轉和壓出試驗。試驗取得了令人滿意的結果，凸輪軸軸承襯套的扭轉力矩大于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。

繼預試驗后，研究人員隨即在倒拖發(fā)動機試驗臺上對凸輪軸模塊進行了驗證，將尚未配裝曲柄連桿機構的量產(chǎn)發(fā)動機（Mercedes-Benz公司M282型發(fā)動機）安裝在氣缸蓋試驗臺上，并在氣缸蓋排氣側換裝了量產(chǎn)的凸輪軸模塊。同時，在當前的螺栓緊固條件下，配裝在模塊中的凸輪軸轉動力矩同樣應小于3 N·m。圖5詳細描述了試驗臺的結構。

圖5 倒拖發(fā)動機試驗臺

圖6示出了用于運行過程的試驗程序。試驗期間，機油溫度為100±5 ℃，機油最高壓力為0.30±0.05 MPa，并且發(fā)動機機體側的84 ℃冷卻水循環(huán)可用于調節(jié)機油溫度，試驗程序中的最高轉速約為6 250 r/min。試驗進行100 h后即告暫停，研究人員首次對凸輪軸模塊的狀況進行了檢查。如果所有構件均未出現(xiàn)明顯的異常狀況，隨即開展時長為500 h的后續(xù)試驗過程。

圖6 倒拖發(fā)動機試驗臺的試驗程序

這種凸輪軸模塊成功地完成了超過600 h的耐久試驗過程。在該試驗過程的前后，研究人員均采用光學三維（3D）測量系統(tǒng)對該模塊進行了變形分析，同時后續(xù)的試驗過程仍顯示出良好的結果。將凸輪軸從模塊中解體就能檢查出耐久運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了新開發(fā)的輕型凸輪軸模塊的工作能力。