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解决带有起停系统发动机的曲轴主轴磨损的新型涂料

发布时间：2013-03-18 浏览次数：752

编译：刘艳
（天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心）

　　随着内燃机效率的提高，对发动机轴承提出了更高的要求。如在混合膜润滑阶段，节能的起停系统的曲轴和轴承轴瓦的循环次数会相应增加。一种基于加强聚酰胺-酰亚胺的新型涂料可在此过程中防止金属滑动表面的磨损。
　　起停系统造成的磨损增多
　　发动机采用的滑动轴承需要承受日益增加的各种特殊负荷，如更高的温度、更小的轴承尺寸以及因轻量化设计而造成的曲轴弯曲变形等。燃油浓度越来越低已成为趋势，且燃油稀释水平增高，如E85乙醇汽油，这只是日渐严峻的情形之一。滑动轴承需要尽可能降低摩擦系数来减小发动机内耗。
　　如今，越来越多的车辆上可以看到起停系统的身影。起停系统可在怠速时关闭发动机，把燃油经济性提高5%。为避免影响驾驶性能，驾驶员一挂档，发动机就会迅速转动曲柄。
　　对于曲轴主轴轴瓦和连杆大端轴承来说，在流体动力薄膜形成之前会产生频繁高速旋转。在这个边界润滑阶段，曲轴表面和轴承的滑动表面之间会产生金属之间的摩擦。然而，在安装有起停系统的车辆中，就需要借助新技术新材料来避免轴承过早磨损，这也取决于车辆的行驶循环。带有铝制或铜制涂层的普通轴瓦仅在进行了100000次启动之后就出现了严重磨损。而今后的发动机至少需要设计进行250000~300000次起动。
　　一种新研制的名为Irox的正在申请专利的涂料，采用聚酰胺-酰亚胺(PAI)和添加剂制成，可很好地减轻发动机的轴承磨损。即使在频繁的混合润滑阶段，这种涂层料也可防止轴承磨损，因此，是起停系统操作的Z佳设计，这种材料甚至可以应用在铸铁曲轴上。此外，这种新型涂料可大大增强铝基轴瓦，它还能应用在之前一直被认为是铜基轴瓦才能应用的领域中。
　　新型滑动轴承材料结构
　　新型滑动轴承基质包含以下三方面因素：钢质背部确保了轴瓦的尺寸强度和机械强度。此外，还应用了可提供适当摩擦物质属性的涂层基质。当今车辆的量产化过程中，这些涂层都是由无铅基质制成的，通常是由铝合金基或铜合金基。铝制曲轴轴承用于中低特定负荷(≤70MPa)，而铜基轴承的则用于中高特定负荷。很大程度上，轴承的耐用性取决于其表面的涂层。
　　硬颗粒PAI强化涂料可永久附着在涂层上，形成耐用涂层。在树脂基质内部，几种添加剂均匀分布，其中一些含有非常细致的晶粒。通常来讲，轴承的红棕色是均匀分布的微观强化的氧分子产生的。那些不太细致的硬颗粒也是为了增加滑动表面的抗磨损性的。其他的固体润滑颗粒镶嵌在基质中，以确保在局部金属摩擦过程中产生良好的滑动性能。
　　PAI是一种抗高温的非晶态聚合体，具有良好的抗化学腐蚀性和抗磨损性。这种材料也能够应用到当今各种零部件的生产中。基本来讲，由PAI和氧化物制成的涂层能够应用在铝制、铜制或青铜材料制成的轴承衬上(图1)。
　　涂层操作
　　Irox涂层的抗磨损性能是几种特殊材料属性的结合。它的湿润性会产生流体动力薄膜，这对发动机的滑动轴承保持正常快速操作来说是很重要的(图2)。微观强化的PAI涂层是一种具有弹性的涂层。由于其较低的弹性系数，它更适于降低滑动部件的粗糙度，显示出极佳的抗磨损性。
　　在使用硬颗粒PAI强化涂层之前，先将基质的表面进行一定程度的粗糙化。这会在轴承操作过程中产生两个好处：1)PAI强化涂层能够很好地应对任何方向产生的轴向推力负荷，因为在微观层面上，基质产生的机械连锁可以支撑负荷，这是十分理想的；2)基质产生的微机械连锁会产生更多有利的磨损特性。如果涂层产生局部磨损，基质的粗糙度可防止磨损过早产生，因为微观峰值仅限于金属的直接摩擦。即使在边缘负荷的情况下，涂层也不会裂开，同时还会减低局部磨损。
　　硬颗粒PAI强化涂层的弹性对滑动轴承的阻尼属性会产生积极影响。同时，PAI基质保持了嵌入微粒的一定能力。
PAI的导热性较差，涂层会限制向基质下方进行热输入。经证明，这对铝基基质来说具有特别的优势。考虑到对滑动部件粗糙度的要求，Irox基质与其他曲轴轴承并无不同。相反，当与铸铁轴产生承摩擦时，新型的涂层基质则显示出极佳的性能。
　　在铸铁曲轴上的适用性
　　采用含有灰球墨铸铁(NCI)的灰铸铁制成的曲轴对滑动轴承有特殊的要求。NCI的形态结构特点是石墨球周围带有硬铁酸盐壳。即使对这些带帽的圆形结构进行表面抛光加工，这些帽状圆形结构也不会完全消失，它们可能会在工作过程中脱落，并对轴承表面造成破坏。如果轴承没有采用适当的机械装置来降低这一影响，铸铁曲轴将迅速造成轴承咬死。如果涂有Irox涂层，嵌入硬颗粒的抛光效果和聚合体的延展性将会防止此类问题发生。
　　测试结果
　　为了验证新型涂料基质在安装有起停系统的发动机上的适用性，滑动轴承需要经过几项严格的测试。图3示出两个采用相同基质的曲轴轴承轴瓦，均采用微观优化结构的铝合金。其中一个轴承还另涂有Irox涂层，铝基本身作为基准轴承的滑动表面(图3)。

　　两种材料系统都在underwood试验台上以80MPa的负荷以及在相同的边界条件下进行试验。虽然A-650是一种含有良好硅颗粒的高强度新型铝合金，但它的滑动表面损坏严重。而Irox涂层只在边缘处出现了有限的局部磨损。该测试结果充分证明了涂层的属性决定了轴承基质是否适用于某些特定应用。
　　采用铝基和Irox涂层的轴承轴瓦极大地提高了抗疲劳强度。因此，新型涂层基质能够将特殊负荷的强化铝基曲轴轴承轴瓦提高25%以上，目前这一水平还由铜基系统所保持。当将其应用到铜基基质上时，Irox涂层成功地通过了发动机测试，它可承受105MPa的特定负荷。
　　接下来在高频往复试验机上进行的测试中，与未涂有Irox涂层的A-650铝基质滑动表面相比，Irox涂层将摩擦系数降低了50%。甚至与其他聚合物涂层相比，如将Irox涂层用于活塞裙部，Irox涂层也可将摩擦系数降低20%~40%，如图4所示(图4)。
　　图5示出不同类型轴承的测试结果。在许多起停循环测试中，Irox涂层的磨损要比那些以完美抗磨损性著称的喷镀轴承低得多。所有的测试结果都是一致的。
　　Irox轴承通过了采用E85乙醇汽油的发动机测试。尽管E85乙醇汽油中含有乙醇，且乙醇会导致燃油稀释，但Irox基质的抗磨损性能并未因此而降低。然而一种采用普通入门级A-590基质的双层铝基轴承则未能通过该E85乙醇汽油测试。
　　从这些测试结果中可以得出，如采用粘度较低的发动机燃油，新型涂层基质可降低油耗。在测试中，Irox涂层对较小的轴承间隙也没有那么敏感(图5)。

　　结论及展望
　　新型Irox涂层基质为混合润滑的内燃机提供了良好的解决方法。微观强化PAI涂层耐用性好，能够防止磨损过早出现。因其抗高温性、良好的阻尼属性和抗燃油稀释性，新型的Irox涂层适用于乘用车和卡车的发动机的热机械效率，也可满足对发动机滑动轴承日益严峻的要求。微观强化PAI Irox涂层也可以应用在那些使用低粘度燃油的发动机上(高温高剪切率，HTHS 2.6~2.1)。2011年4月起，该产品已经将开始进行批量生产。今后的研发工作将集中在将Irox涂层应用于车辆的辅助部件、推力垫圈以及自动变速器等方面。

来源：《汽车与配件》2011年37期