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发表于 2016-1-13 04:07:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
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Stanyl PA46:凸轮轴驱动优化解决方案

Stanyl PA46:凸轮轴驱动优化解决方案

        图1 福特在2.4L Duratorq TDCi发动机内采用Stanyl技术以改进排放超标

        随着汽车排放法规的日趋严格,对汽车发动机技术提出了严峻的挑战。来自帝斯曼工程塑料(以下简称“帝斯曼”)的高性能聚酰胺品级Stanyl PA46可使汽车发动机达到严苛的排放标准,同时还能为汽车生产商节约开发和生产成本。
        基于人们对环境的巨大关注,全球制造业的众多公司前瞻性地将其创新能力集中放在增强产品的可持续性上。对于汽车产业而言,2009年欧盟议会通过的乘用车CO2排放法规给出了2012年以前汽车行业必须达到的CO2排放定量目标。而将此类法规扩展应用于轻型商用车的提案,则激发了人们对燃油经济型发动机的更大期望。
        除了引领方向以外,该法规所确定的CO2过量排放的罚款制度(自2012年起,每辆汽车超标排放1g CO2将被最高罚款$130),还对CO2减排措施的价值与实施的成本给出了一个清晰的定量控制点。一项针对CO2减排可用技术典型成本的研究表明,每辆汽车每公里每克CO2减排的成本约在$17~69之间。
       

Stanyl PA46:凸轮轴驱动优化解决方案

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        图2  摩擦力矩和发动机转速(r/min)的对应关系

        为节约燃油而合作
        在这种背景下,福特2.4L Duratorq TDCI发动机成为汽车公司(福特)与材料公司(帝斯曼)合作提高燃油经济性的一个成功范例。这是一种直列式四缸柴油发动机(如图1所示),带有DOHC和一个工作压力高达1600bar(1bar=0.1MPa)的高压共轨燃油系统。这种发动机的最大额定功率达140bhp(1bhp=0.73kW),转矩为375Nm,用于福特的商用汽车中。该发动机的原型于2006年推出,并且有望在未来一段时间内继续投入生产。它采用了一种正时链条系统来驱动凸轮轴和燃油喷射泵。
        对于气门装置喷射系统,欧洲市场上大约有一半的发动机采用正时链技术。该技术的特点是:为在发动机使用寿命范围内保持链条张力,在链条的松弛端采用链条张紧系统。同时为防止链条部件内发生侧向共振,将链条导向板安装在两个链齿轮之间。这些张紧器和导向板的导轨与链条相联系,通常由非强化的聚酰胺(PA66或Stanyl PA46)制成。
        当衡量成本和耐磨性能时,在PV条件不高的情况下通常选择PA66用于正时链导轨的设计。而在曲率半径更小、链条速度更高,或者摩擦产生的链条热量更高等更严苛的条件下,则优先选择Stanyl PA46。Stanyl PA46的结晶度和熔融温度更高,而且可将磨损率最多降低7倍,这两大性能使其成为极耐用的材料。
       

Stanyl PA46:凸轮轴驱动优化解决方案

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        图3  2.4L Duratorq TDCi发动机的计时链摩擦。蓝色数字表示链关节;黑色数字表示滑动摩擦。下面的一组数字表表示总的摩擦功率、摩擦力矩和发动机速度

        减少摩擦
        行业内针对福特直列四缸2.4L Duratorq TDCi发动机进行的机动化试验可以证明,除提高耐磨性之外,Stanyl PA46还有助于降低发动机润滑油的摩擦系数。
        发动机台架试验在一个完整的发动机上完成。发动机需要加热达到90℃的油温。如图2所示,对于所有以PA66或Stanyl PA46制成的导轨,旋转曲柄轴所需要的转矩以r/min(每分钟转速)为单位记录。从图2可以看出,在90℃、2000r/min的条件下,PA6和PA46两种材料的摩擦力矩测量值相差0.45Nm,正是这一差值表明了,选择Stanyl PA46制造导向板可比选用PA66降低94W的摩擦损耗。
        为了便于理解产生差值的原因,可通过建立一个模型来计算在正时链驱动系统内产生总摩擦的不同的作用力。首先,为模型输入的参数即是各个链条导向板的链条张力,包括它们的曲率半径和摩擦接触长度、摩擦系数(CoF)、链设计、链轮设计以及曲柄轴的速度。然后,根据模型计算出由链齿轮上链条关节(链接头)给出的摩擦作用力以及导向板链条的滑动摩擦给出的作用力。
        图3显示了发动机速度为2000r/min的结果。这个速度接近于配备这种发动机的车辆通过NEDC循环试验的平均发动机速度。在图3中,由每个链轮齿链条关节导致的摩擦以蓝色数字标出,经计算,2000r/min时总的链条关节摩擦能量大约为230W;导向板上链条的滑动摩擦用黑色字体标出,经计算,两个导向板和张紧器加在一起总的摩擦能量约为470W。两项摩擦能量合计即在2000r/min转速下计时链中总摩擦刚好超过700W(实际为707W),这相当于在凸轮轴上产生3.4Nm的摩擦转矩。
       

Stanyl PA46:凸轮轴驱动优化解决方案

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        图4  几种材料的摩擦系数与温度对应关系的比较

        边界润滑机制适用于张紧器的链条通常存在一致性,这意味着链条与塑料直接接触,而不触及油膜。对于这种润滑机制,有说服力的证据在于链条留在张紧器上的摩擦标记。链条关节对摩擦的作用力对于两种导向板材料都是相同的。在2000r/min转速下之所以产生0.45Nm的摩擦力矩减量或者94W的摩擦损耗减量,是因为PA46的摩擦系数比PA66低20%。
        帝斯曼公司采用一个推力垫圈型摩擦计对不同材料在发动机油内的摩擦系数进行了测量,结果示于图4中。这些测量值证实了在商用的链条张紧器上,与PA66等级的材料相比,PA46(Stanyl TW341)可降低20%~30%的摩擦系数。即使是最近在市场上推出的一种更加特殊的以PA66为基础的摩擦优化的材料,也未能表现出比帝斯曼试验中Stanyl PA46更低的摩擦系数。
        尽管摩擦试验台数据并不能等同于真实的发动机摩擦试验数据,但是它们在定量上的一致非常令人鼓舞。显然,最重要的是实际发动机测试中的摩擦结果。从模型到机动发动机测试,PA66和PA46之间的摩擦系数的差异,可使工程师们推断出PA46对其他任何正时链驱动系统所产生的摩擦效益。
        摩擦系数随温度升高而增加得特别明显,因而帝斯曼公司选定在大约140℃条件下进行测量。由于在正时链上的摩擦损耗值与发动机速度成正比,因此在4000r/min的转速下,大约有1.4kW的摩擦能量被释放进入链条。这些热量促使链条的温度不断升高,其绝热升温速率为4℃/s。链条通过两种方式散热:一种是通过间歇式线性接触将热量传导到链齿轮上;另一种则是将大部分热量传送到喷射的润滑油中,同时将小部分热量传递给环境空气。很显然,这两种散热方式不足以快速降低链条的温度,从而导致链条的温度明显超过贮油槽温度。
       

Stanyl PA46:凸轮轴驱动优化解决方案

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        图5  PA66和PA46的模量与温度的对应关系

        耐受高温
        PA66和PA46之间摩擦性能的主要差异源于其固有的机械性能。一种材料在使用温度下的模量是一个关键的指标,因为通过使用温度下的模量可以衡量该材料在这一温度对小刻度变形的耐受性能。Stanyl PA46具备更高的结晶度,因此其使用温度下的模量比玻璃态转化温度下的模量高出30%~40%(如图5所示)。这意味着金属表面微凸体(粗糙表面的凸起峰)对Stanyl PA46表面无法像对PA66表面刺得那样深。这种更小的相互作用解释了观察到的更低的摩擦。而更高的结晶度还为观察到的更好的耐磨性能提供了依据。
        图5阐明了Stanyl PA46之所以能更好地应对更高的PV系统(例如更热的链条)的原因。可假设140℃为PA66链条导向板可承受的绝对最大链条温度。图5中红色的水平线表明了摩擦界面与计时链条的模量水平。这个相同的模量水平可由PA46摩擦界面在210℃提供。以90℃的贮油槽温度为加热槽温度,采用PA66的正时链可适应仅比润滑油温度高50℃的链条,但是Stanyl PA46导向板却可适应比润滑油温度高120℃的链条。这是一个比PA66高2倍以上的温度差值。
        追溯到正时链的摩擦热,在贮油槽和链条温度之间高2倍以上的温度差值增加,意味着Stanyl PA46较之PA66可忍受2倍的摩擦热。这是行业内将Stanyl公认为经试验和证实的最强韧的链条张紧器材料的依据。
        在2.4L Duratorq TDCi发动机的NEDC循环试验中,由于Stanyl PA46的采用,使得2000r/min转速下的摩擦功率降低了94W,这相当于每公里可减少2.1g CO2的减排量。以每克CO2排放罚款$130(自2012年起实行)计算,采用Stanyl PA46可使每辆汽车节省罚金$273。由于每个发动机从PA66转换为PA46的成本仅为$1.3,因此即使面对最低的CO2系统减排成本(平均每克CO2 $17.1),Stanyl PA46也可以成为发动机链条驱动计时系统中极佳的摩擦减量解决方案。
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