德国研发塑料凸轮轴模块 减轻发动机重量/减少二氧化碳排放量
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汽车中使用塑料可以减轻车辆重量。不过，目前，动力系统关键组件凸轮轴模块仍然是铝制部件。据外媒报道，德国弗劳恩霍夫化工技术研究所（Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT）的一支研究团队与伙伴合作，利用纤维增强型热固性聚合物打造了一个凸轮轴模块。此种轻量化设计元素有助于减轻发动机重量、降低组装成本，目前只是一种功能演示产品。
（图片来源：弗劳恩霍夫化工技术研究所）
凸轮轴能够确保内燃机充气阀可靠且准确地开启和关闭。此类阀门位于凸轮轴模块内，标准制造材料仍是铝金属。不过，汽车制造商和供应商都在大力实现动力系统及其零部件的轻量化设计。减轻重量也是减少二氧化碳排放量的最有效方法之一。弗劳恩霍夫化工技术研究所的研究人员正采用一种由热固性复合物材料制成的凸轮轴模块，为汽车行业提供支持。该轻型凸轮轴模块由ICT与马勒集团（MAHLE Group）、戴姆勒公司、SBHPP/Vyncolit NV和Georges Pernoud合作研发，德国联邦经济事务和能源部（BMWi）也一直在为该项目提供资金支持。
在选择合适的聚合物时，该项目的合作伙伴们选择了高强度、纤维增强型热固性聚合物，因为此种聚合物可承受高温，以及合成机油和冷却剂等造成的机械和化学压力。ICT的研究人员Thomas Sorg表示：“我们提供有关如何设计组件的几何形状以适应材料和工艺的专业知识，让组件最终能够满足所有要求。该凸轮轴模块位于气缸盖内，通常安装在动力系统上部，因此减轻其重量非常重要，因为还能够降低车辆的重心。”
铝铸件在铸造之后需要多次返工，因而成本很高。纤维增强型热固性聚合物可实现近终形（near-net-shape）的制造，相对而言，几乎无需返工，可降低生产成本。此外，热固性聚合物注塑模具的使用寿命明显长于铝高压压铸模具。而与铝相比，纤维含量高的塑料部件的二氧化碳排放量也低得多，因此此种轻型金属（铝）的制造过程耗能很大。
此种聚合物还有一个优势，能够满足汽车制造商将噪音排放降至最低的要求。咔嗒作响的汽车不仅让乘客心烦，也是一项明显的竞争劣势，因而NVH（噪音、振动和不平顺性）也是评估车辆质量的重要因素，而该聚合物拥有良好的阻尼特性，可优化凸轮轴模块的声学性能。
（图片来源：弗劳恩霍夫化工技术研究所）
该款凸轮轴模块采用整体式设计，集成了轴承。由于采用了一体化生产，因而减少了发动机制造厂的装配时间。汽车制造商从供应商处收到一个预先组装好的模块，只需几个简单的操作就可以将其安装到发动机上，无需再花费时间单独安装凸轮轴。该创新解决方案还有一个优点：凸轮轴轴承高应力区的铝插件会吸收直接力量。
在发动机试验台上对该凸轮轴进行初始测试，研究人员就观察到其具备良好的工作性能，而且与铝基准部件相比，减轻了重量。研究人员表示：“与利用轻金属制成凸轮轴模块相比，我们可以利用热固性聚合物材料更轻易地制出凸轮轴模块，而且在注塑过程中，能够以更经济的方式进行生产。”研究人员还利用仿真技术，在制造过程开始前设计和验证产品原型。“虽然热固性聚合物的刚度只有铝的四分之一，但是我们采用的设计法实现了最大允许变形度。”经过在发动机试验台上的600小时测试，配备于最先进内燃机中的凸轮轴模块采用了轻量化设计元素，展示出完美的功能。在燃油喷射测试计划的帮助下，项目合作伙伴想要在考虑到燃烧过程中气体力量的情况下，证明该凸轮轴模块的功能和NVH特性。
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