高性能塑料齿轮:提高发动机和部件生产效率

作者:文/帝斯曼 文章来源:AI《汽车塑化》2014年第3期 发布时间:2014-08-26
帝斯曼高性能塑料应用于汽车齿轮,可提高发动机的效率,降低油耗和零部件成本.

帝斯曼高性能塑料应用于汽车齿轮,可提高发动机的效率、降低油耗和零部件成本。

汽车行业持续受到降低车身重量和油耗等需求的驱动。在全球范围内,技术发展主要关注满足减少废气排放的新法规要求,以确保更加美好的未来。鉴于小型和中型乘用车的巨大市场保有量,这一点尤为显著,因此必须使用具成本效益的解决方案来满足减少排放量的需求。

在发动机盖下,要提高燃料效率,需重点关注两个方面:一方面是提高发动机的燃烧循环以产生更多的能量,另一方面是减少发动机和整个车辆的能源损失。据估计,所产生的能量中有高达78%通过排气、热损失、发动机内摩擦和负载变化而损耗殆尽,所以这是能够实现显著效率增益的一个方面。

对这些领域的关注,已使发动机得以改进——减小尺寸,降低发动机速度,以增加特定条件下的功率输出。它还催生了涡轮增压和机械增压等增压技术。这些新技术需要更为复杂的发动机管理齿轮箱,用以在较高的操作温度下改善其性能。

凭借优越的力学和摩擦学性能,帝斯曼Stanyl聚酰胺46(PA46)成为汽车发动机盖下应用的主要聚合物之一。该高性能材料的熔点为295℃,其耐高温的配方使之能够在100~170℃的温度范围内保持良好的力学性能。

帝斯曼Stanyl PA46能够提供极佳的摩擦磨损性能,磨损率比聚邻苯二甲酰胺(PPA)低50%,并且在无润滑或润滑的条件下也可以很好地工作。Stanyl PA46聚合物已成功应用于发动机管理、发动机控制和发动机齿轮等诸多方面,其极低的摩擦系数和磨损率在性能方面发挥了至关重要的作用。包括电子节气门控制、废气再循环、涡轮增压控制执行器、传统和起动/停止起动电机的齿轮,以及油泵驱动齿轮和平衡轴齿轮。

帝斯曼持续不断地与全球原始设备制造商和一级零部件制造商携手合作,开发并测试全新的齿轮设计,从而使汽车更轻、更省油。

帝斯曼的齿轮检测设备

为了更好地利用Stanyl优异的摩擦学性能,帝斯曼十分注重对应用和材料摩擦磨损性能之间理论和实践关系的理解。由于磨损和摩擦受到材料力学性能的影响,并因温度而异,帝斯曼深入研究应用,以更好地理解摩擦副表面和环境温度条件。帝斯曼的做法超越了行业标准测试。其将测试参数与应用相关联,从而更好地模拟实际情况,并将此与帝斯曼基本研究小组的广泛知识基础相结合,以确定哪些材料属性有待改进,并更好地理解具体应用中材料的磨损和摩擦。

为了有效地开展这项先进的测试,帝斯曼修改了其测试设备。此次修改除了压力和滑动速度变量之外,还包括精确的温度控制,以最接近实际应用。

其中,帝斯曼的推力垫圈测试机包括热管理,通过冷却和加热,将摩擦界面的温度控制在200℃。帝斯曼还对其机械稳定性进行了提高,以大幅改善温度扫描、滑动速度扫描或磨损率的测量精确度,同时还提升了润滑条件下测量摩擦和磨损的能力,增加有润滑情况的应用知识,以满足相关需求。

最近,帝斯曼在其位于荷兰赫伦的材料科技中心添设了一个磁盘到磁盘测试仪。磁盘到磁盘测试仪将两个磁盘相对运行,以测试高达150℃的控制温度、高达2000r/min的速度以及2000N最大正常力下聚合物对聚合物或金属对聚合物的摩擦磨损行为。

磁盘到磁盘测试仪还可以测试滑动和滚动性能组合,以更好地模拟齿轮啮合的实际情况。除了摩擦和磨损检测设备之外,目前帝斯曼并没有通过外部机构对全新的齿轮设计开展测试,而是利用一台现存的先进的齿轮检测仪,测试从直齿轮、斜齿轮或蜗轮蜗杆到高温润滑系统下的各种不同齿轮传动类型。这种实际的齿轮测试能力将有助于帝斯曼及其客户更好地利用Stanyl在齿轮应用方面优异的力学和摩擦学性能。

满足起动电动机的苛刻要求

鉴于降低重量和成本的需求,在起动电动机应用领域,塑料齿轮的使用正在不断扩大。随着工程塑料性能的不断增强,越来越多的启动齿轮采用具有优异力学和摩擦学性能的高性能塑料来取代烧结金属齿轮,尤其是在全新的起动/停止系统方面。在车辆的终身使用期内,传统起动电动机将经历40000多次发动机启动,或每个塑料内齿圈的轮齿要经受1300多万个冲击负载。全新的起动/停止起动电动机能够将起动次数提高至350000次,或每个环形轮齿经历4500万次负载。起动/停止起动电动机能够将油耗降低7%~15%,CO2排放量降低5%~8%,通过相对简单的方式改善全球客运车辆的环境负荷。

与此同时,帝斯曼还使用具有优异抗疲劳性能和磨损率的塑料来满足苛刻的耐用性要求。在满足一系列额定功率要求的过程中,Stanyl成功取得了实际应用效果。

降低起动电动机齿轮的成本

一个起动电动机的领先制造商曾尝试提高其产品系列中塑料的使用比例,从而优化系统总成本并改善已经较高的功率-重量比。帝斯曼与客户携手合作,在一个系列的起动电动机中使用塑料环形齿轮取代烧结金属。这一系列的紧凑型和高功率起动电动机涵盖广泛的汽油和柴油发动机排量,输出功率为0.7~2.5kW。为了确保可靠的运行和较长的使用寿命,全新的设计将通过广泛的实验室和现场测试,以满足严峻的操作要求,避免滥用情形。

震动/冲击测试模拟起动机被滥用的情况。通过强制飞轮骤停,以在整个行星齿轮传动装置,包括塑料行星齿轮啮合的齿,施加较高的冲击负荷。客户测试的要求非常高,以确保系统能够承受比部件投入实际使用后可能的操作环境更高的力。凭借材料出色的韧性,Stanyl成功通过了所要求的周期次数。

使用Stanyl还能够帮助客户大幅度降低部件总体成本,并使总重量减少46%。塑料设计能够提供较大的自由度,将多种功能集成至单一组件中。在某些设计中,Stanyl良好的流动性和较高的结晶速度有助于通过3种方式削减成本:使元件数量从5个减至1个,去除组装步骤或缩短注射成型周期时间。

USCAR电子节气门控制的标准化

USCAR是一个保护伞组织,为克莱斯特公司、福特汽车公司和通用汽车公司之间的合作研究提供支持。帝斯曼携手通用汽车公司和大陆汽车,对电子节气门控制执行器进行完全重新设计,使其适用于所有汽车平台。帝斯曼凭借使用Stanyl PA46和Arnite T聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)制成的7个执行器组件,最终入围了2010年SPE汽车创新奖。

全新的设计能使重量降低15%的同时提升性能,使发动机盖线能够降低达5mm,减小风阻,从而节约燃料,并使服务寿命从2年延长至5年。全新的电子节气门门体被用于2010年型式年份的汽车中,满足了所有发动机管理系统的所有接口和性能要求,并将在2015年之前取代通用汽车的所有现有汽油和柴油制执行器。

携手合作共建美好未来

帝斯曼在整个汽车价值链中积极寻求与客户合作,以改善其齿轮和执行器,实现具成本竞争力的发动机管理、发动机控制和发动机内应用。帝斯曼的产品组合包括一系列品级产品,能够在极端的工作温度下保持其强度、耐久性和磨损率,同时延长部件的使用寿命。汽车行业持续致力于改善燃料消耗的进程,使得塑料齿轮能够用于更加苛刻的应用。帝斯曼通过广泛的研发支持所有材料销售,并通过合作关系为客户提供各类品级选择、部件设计和全面的齿轮测试等支持。

凭借遍及三大洲的生产设施和单体前体到聚酰胺的垂直整合,帝斯曼可提供安全供应,让客户买得放心的同时,清楚地知道在帝斯曼材料将永远不会成为问题。

Stany聚酰胺46用于可变进气系统驱动系统
Stanyl聚酰胺46用于发动机平衡轴系统齿轮
齿轮寿命测试仪,主要用于测量各种模拟工况下的齿轮强度及其寿命
Stanyl聚酰胺46及Arnite PBT用于电动节气门控制系统Stanyl聚酰胺46用于电动节气门的中间齿轮


 

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