高性能塑料：减少链条张紧系统的磨损

（帝斯曼）

　　在发动机的使用过程中，链条和磨损面的摩擦会造成很多的能量损耗，而来自帝斯曼的Stanyl PA46使此问题的解决成为了可能。该材料的低摩擦优势能显著减少正时链条系统的磨损，降低能量损耗，进一步提高燃油的经济性。

　　如今，提高燃油经济性可谓是汽车行业的“重中之重”，而高性能塑料是实现此目标的一个关键突破点。为了尽可能多地实现其潜在的价值，深入了解塑料的应用是一项十分必要的工作。

　　减小发动机摩擦

　　在发动机的使用过程中，其内部摩擦会损失多达25%的活塞功效，因此，如何减少这种能量损失成为了汽车行业普遍关注的一个问题。而帝斯曼Stanyl PA46的出现，使此问题的解决成为了可能。到目前为止，Stanyl PA46在减少磨损方面的出色表现已经在正时链条系统中得到了证实——通过与主机厂和各级供应商的紧密合作证明，将导轨和张紧器摩擦面板的材料从PA66更换为Stanyl PA46，链条传动系统的摩擦转矩可降低4%~15%。

　　事实上，每台发动机能够获得的提升效果主要取决于正时链条系统的布局，为快速评估与之相关的特点，帝斯曼开发了一种计算工具（可从网上访问使用），此计算工具可对链条系统的全部摩擦进行详细的分析。

　　如图1所示，发动机使用过程中的大部分摩擦来自于链条和张紧器塑料磨损面的接触（通常认为只有在混合摩擦或边界摩擦的情况下，链条和磨损面之间才会发生摩擦）。发动机试验后的进一步分析表明，对典型Stribek曲线响应是由于凸轮轴和曲轴上的轴颈轴承，以及凸轮从动件和凸轮凸角之间的接触而产生的。

　　此外，相关试验还证明，随着机油黏度的增加，以及链条与磨损面之间摩擦的减小，在混合摩擦或边界摩擦情况下所得的数据相似。值得一提的是，帝斯曼还对液面张力与速度、机油黏度、表面粗糙度和导轨曲率半径之间的关系进行了理想状态基本评估，结果表明，即使是非常直的导轨，其液面张力都不足以在真正的链条张紧器上形成完整的油膜，这一点非常重要，因为链条和磨损面仅在混合或边界摩擦时接触，所以塑料的类型可能影响摩擦等级，如图2所示。

　　Stanyl PA46卓越的润摩性能

　　在尽可能地模拟发动机内的摩擦条件下，帝斯曼采用止推垫圈式摩擦试验机，并在发动机油中测量了多种材料的摩擦系数（CoF），如图3所示。这些试验结果表明，与市场上可购买的、用于链条张紧器和导轨的PA66品级产品相比，帝斯曼PA46（Stanyl TW341）的摩擦系数要低20%~30%。即使是市场上新出现的摩擦改性PA66材料，其摩擦系数也不低于Stanyl PA46。

　　PA66和PA46润摩性能的差异源于其内在的机械性能。使用温度下的材料模量是考察材料润摩性能的一个关键指标，它显示了材料抵抗小范围形变的能力。由于Stanyl PA46的结晶度较高，因此在超出玻璃化转变的范围，其模量比PA66高出30%~40%（如图4所示），这意味着金属表面的微凸体（表面粗糙度的峰值）刺入Stanyl PA46的深度低于刺入PA66的深度，因此金属与塑料之间的相互作用较小，从而显著降低了摩擦。

　　更好地应对较高的PV系统

　　Stanyl PA46可更好地应对较高的PV系统（即拥有更高压力和速度的链条），如图4所示。为便于讨论，假定140℃为PA66链条导轨能维持的Z高链条温度。图4中红色水平线为与正时链条的摩擦界面处的模量。在约210℃的温度下，Stanyl PA46磨损面也能提供同样大小的模量。以90℃作为发动机油底壳的散热片温度，配备PA66导轨的正时链条只能使用比油温高50℃的链条；但Stanyl PA46导轨能支持温度高出油温约120℃的链条，比PA66的许可温差高出2倍。
　　从图1可知，摩擦造成的能量损失常常会超过数百瓦，所有热量要在链条上释放，这会导致链条变热。在此情况下，可通过与空气和油对流，及将热量传递给链轮的方式进行冷却，基于此，可从冷却能力预测链条的标称温度。帝斯曼采用了红外测温法，通过对这些计算结果进行验证，确认了链条的平均温度一般比油底壳温度高30~40℃。

　　详细的3D热模拟模型如图5所示。该模型考虑到了链条衔接和滑动摩擦对链节造成的脉冲加热，以及润滑链条的喷油射流造成的脉冲冷却。结果表明，滑动接触区有明显的局部过热情况。金属链条的高导热性不足以抵消局部加热和冷却脉冲，在极端情况下，还可能导致接触区的塑料过热和熔化。塑料的低导热性为测量这种局部高温带来了难题，有一种解决方案是在塑料中、靠近表面的地方插入热电偶丝。

　　但是，在塑料体中加入高导热性热电偶丝会导致温度曲线严重变形（如图6所示）。尽管热电偶仅显示150℃，但仍可看出塑料表面发生熔化。虽然很难进行精确的测量，但通过观察可知，在相同条件下，Stanyl PA46导轨的温度比PA66低5~10℃，这再次证明了Stanyl PA46的低摩擦性。

　　结论

　　帝斯曼正与越来越多的主机厂和一级供应商合作，验证Stanyl为正时系统带来的改变。在联动试验台上对十几台发动机进行的试验证明了其显著的摩擦优势——任何部位的摩擦转矩都减小了0.1~0.5Nm。不仅如此，在点火式发动机上进行的试验还确定了Stanyl对燃油经济性的增进。

　　总而言之，将与链条接触的磨损面从标准的PA66转换为Stanyl PA46已经成为一种提升发动机燃油经济性、性价比的理想方法。
 

（来源：弗戈工业在线）