هدف اصلی یک روانکار، کاهش میزان اصطکاک بین دو سطح در حال تماس و حرکت نسبی است. در برخی کاربردها، روغن پایه موجود در روغن یا گریس ممکن است به‌تنهایی از روان‌کنندگی (Lubricity) کافی برای انجام مؤثر این وظیفه برخوردار نباشد. علاوه بر این، جنس و متالورژی اجزای مکانیکی نیز ممکن است نیازمند استفاده از شیمی خاصی در فرمولاسیون روانکار باشد.

برای مثال، در چرخ‌دنده‌های حلزونی (Worm Gears)، استفاده از افزودنی‌های متداول فشارپذیر (EP) یا ضدسایش (AW) در بسیاری از موارد از نظر شیمیایی برای فلزات زرد و نسبتاً نرم، مانند مس و آلیاژهای آن، بیش از حد تهاجمی است. در چنین شرایطی، برای افزایش قابلیت روان‌کنندگی روغن و کاهش اصطکاک، از بهبوددهنده‌های اصطکاک (Friction Modifiers) استفاده می‌شود.

در مقابل، در یک جعبه‌دنده خودکار، یک سیال واحد باید هم‌زمان وظایف متعددی را انجام دهد؛ از جمله روانکاری، انتقال توان هیدرولیکی و بسیاری عملکردهای دیگر.

کلاچ‌ها و نوارهای اصطکاکی موجود در جعبه‌دنده برای عملکرد صحیح خود به مقدار مشخصی اصطکاک کنترل‌شده نیاز دارند. در این حالت، اصلاح‌کننده‌های اصطکاک برای کنترل و نرم‌کردن فرآیند انتقال از یک سرعت یا نسبت دنده به سرعت یا نسبت دیگر موردنیاز هستند.

در غیر این صورت، کلاچ‌ها و نوارهای اصطکاکی دچار پدیده‌ای موسوم به Chattering یا لرزش و درگیری ناپایدار می‌شوند که می‌تواند موجب آسیب مکانیکی و همچنین ایجاد شرایط آزاردهنده برای راننده شود.

بهبوددهنده‌های اصطکاک چگونه عمل می‌کنند؟

ترکیبات شیمیایی مختلفی برای تغییر ضریب اصطکاک روانکار مورد استفاده قرار می‌گیرند که در مجموع تحت عنوان بهبوددهنده‌های اصطکاک شناخته می‌شوند. این مواد با هدف تغییر میزان انرژی موردنیاز برای ایجاد حرکت نسبی و عبور دو سطح از روی یکدیگر طراحی شده‌اند.

در موتورهای احتراق داخلی، هدف اصلی کاهش اصطکاک و در نتیجه بهبود مصرف سوخت و افزایش بازده سوختی است.

اما در کلاچ‌ها، جعبه‌دنده‌های خودکار و برخی کاربردهای صنعتی، هدف صرفاً کنترل اصطکاک برای دستیابی به حداکثر بازده نیست؛ بلکه باید لغزش نیز کنترل و کاهش داده شود.

در نگاه اول، این موضوع ممکن است تا حدودی متناقض به نظر برسد؛ زیرا انتظار می‌رود هدف یک روانکار، کاهش اصطکاک و سایش باشد.

بااین‌حال، شرایط زیادی وجود دارد که در آن‌ها مقداری مشخص و کنترل‌شده از اصطکاک کششی (Traction Friction) برای عملکرد صحیح تجهیز ضروری است.

بهبوددهنده‌های اصطکاک مورد استفاده در این کاربردها لزوماً برای افزایش یا کاهش مطلق اصطکاک طراحی نشده‌اند، بلکه هدف آن‌ها این است که رفتار اصطکاکی سطح را تحت شرایط مشخص برشی تغییر دهند.

به بیان دیگر، این مواد موجب می‌شوند گذار بین یک وضعیت دینامیکی و یک وضعیت استاتیکی به‌صورت تدریجی، کنترل‌شده و نرم انجام شود؛ برای مثال، هنگام تعویض دنده در یک جعبه‌دنده یا هنگام درگیر شدن کلاچ.

روند توسعه بهبوددهنده‌های اصطکاک

سابقه استفاده از بهبوددهنده‌های اصطکاک در روغن‌های موتور را می‌توان تا حدود سال 1915 دنبال کرد.

این مواد در ابتدا در کاربردهایی مانند:

• دیفرانسیل‌ها،
• کلاچ‌های غوطه‌ور در روغن (Wet Clutches)،
• و جعبه‌دنده‌ها

مورد استفاده قرار گرفتند.

استفاده از بهبوددهنده‌های اصطکاک در اواخر دهه 1970 به میزان قابل‌توجهی افزایش یافت.

در آن دوره، موضوع کاهش مصرف سوخت در پی تحریم نفتی اهمیت بسیار زیادی پیدا کرد و همین مسئله موجب تغییرات قابل‌توجهی در صنعت خودروسازی شد.

در نتیجه این تحول، استفاده از بهبوددهنده‌های اصطکاک در روغن‌های موتور خودروهای سواری نیز رواج پیدا کرد.

امروزه بخش عمده بهبوددهنده‌های اصطکاک مورد استفاده با هدف کاهش اصطکاک یا افزایش روان‌کنندگی روغن برای بهبود مصرف سوخت طراحی می‌شوند.

اخیراً دولت ایالات متحده استانداردهای مربوط به مصرف سوخت را سخت‌گیرانه‌تر کرده است و هدف آن افزایش شاخص Corporate Average Fuel Economy (CAFE) به 54.5 مایل بر گالن بوده است.

این مقدار تقریباً دو برابر استاندارد فعلی مورد اشاره در متن است و مربوط به موتورهای بنزینی است؛ بااین‌حال، تلاش مشابهی برای افزایش بهره‌وری و کاهش مصرف سوخت در موتورهای دیزلی نیز در جریان است.

کاهش ویسکوزیته؛ یکی از مسیرهای اصلی کاهش مصرف سوخت

یکی از راه‌های دستیابی به این هدف، کاهش ویسکوزیته روغن موتور مورد استفاده است.

اما چالش اصلی این است که چگونه می‌توان ویسکوزیته روغن را کاهش داد، در حالی که همچنان ضخامت کافی فیلم روانکار برای جلوگیری از سایش و کاهش اصطکاک حفظ شود.

پیشرفت‌های قابل‌توجهی در مهندسی موتور برای کاهش اصطکاک تولیدشده در داخل موتور حاصل و این پیشرفت‌ها موجب افزایش بازده سوختی شده‌اند.

هم‌زمان، فناوری روانکارها نیز پیشرفت‌های زیادی داشته است که یکی از مهم‌ترین آن‌ها، توسعه بهبوددهنده‌های اصطکاک است.

عملکرد بهبوددهنده‌های اصطکاک در شرایط مرزی

اصلاح‌کننده‌های اصطکاک بیشترین اثربخشی خود را در شرایط روانکاری مرزی (Boundary Lubrication) یا در شرایطی که تماس مستقیم فلز با فلز رخ می‌دهد، نشان می‌دهند.

اصلاح‌کننده‌های اصطکاک آلی دارای زنجیره‌های بلند و محلول در روغن و یک سر قطبی هستند.

سر قطبی مولکول به سطح فلزی متصل می‌شود.

در همین حال، زنجیره‌های محلول در روغن در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند؛ مشابه نحوه قرار گرفتن الیاف در یک فرش.

سرهای قطبی این ترکیبات ممکن است از ساختارهایی مبتنی بر موارد زیر تشکیل شده باشند:

• اسیدهای فسفریک
• اسیدهای فسفونیک
• آمین‌ها
• آمیدها
• اسیدهای کربوکسیلیک

زنجیره‌های محلول در روغن می‌توانند تک‌لایه‌های متراکم یا لایه‌های ضخیم واکنش‌داده شده را تشکیل دهند.

این لایه‌ها به‌راحتی تحت تنش برشی قرار می‌گیرند و می‌لغزند و در نتیجه، یک سطح نسبتاً لغزنده با ضریب اصطکاک پایین ایجاد می‌کنند.

بهبوددهنده‌های اصطکاک آلی

برخی بهبوددهنده‌های اصطکاک از نوع مکانیکی، لایه‌هایی از پلاکت‌ها یا صفحات بسیار نازک تشکیل می‌دهند که در کنار یکدیگر آرایش می‌یابند و از این طریق موجب کاهش اصطکاک می‌شوند.

یکی از رایج‌ترین مواد در این گروه، مولیبدن دی‌تیوکربامات (Molybdenum Dithiocarbamate – MoDTC) است.

این افزودنی‌ها با تشکیل صفحات بسیار نازک در مقیاس نانو که در یک ماتریس کربنی یا پیریتی (Pyrite Matrix) پراکنده شده‌اند، اصطکاک را کاهش می‌دهند.

این صفحات نانومتری به‌صورت لایه‌لایه آرایش پیدا می‌کنند و صفحات مجاور می‌توانند روی یکدیگر بلغزند. این سازوکار باعث کاهش اصطکاک ایجادشده در ناحیه تماس می‌شود.

ثابت شده است که ترکیبات آلی مولیبدن در کنار زینک دی‌آلکیل‌دی‌تیوفوسفات (Zinc Dialkyldithiophosphate – ZDDP) عملکرد بسیار خوبی دارند.

ZDDP که تقریباً در بخش عمده‌ای از 80 سال گذشته در روغن‌های موتور مورد استفاده قرار گرفته است، یکی از موفق‌ترین و پرکاربردترین افزودنی‌هایی است که تاکنون برای روغن‌های روانکار توسعه داده شده است.

این ماده دارای عملکردهای متعددی است، از جمله:

• آنتی‌اکسیدانی (Antioxidant)
• بازدارندگی خوردگی (Corrosion Inhibitor)
• ضدسایش (Anti-Wear)

این افزودنی‌ها نیز دارای یک سر قطبی و یک ساختار دُم محلول در روغن هستند.

آن‌ها در سطح فلزی، فیلم‌های مرزی نسبتاً ضخیم و فداشونده تشکیل می‌دهند که در مقایسه با سطوح فولادی یا آهنی، بسیار نرم‌تر هستند.

اهمیت برهم‌کنش بهبوددهنده‌های اصطکاک با فیلم ZDDP

نکته مهم این است که سرهای قطبی مولکول‌های بهبوددهنده‌ اصطکاک نه‌تنها باید قادر باشند به سطوح فلزی آهنی متصل شوند، بلکه باید توانایی اتصال به لایه‌های روی (Zinc Layers) را نیز داشته باشند؛ زیرا در اثر حضور و عملکرد ZDDP، چنین لایه‌هایی روی سطح ایجاد خواهند شد.

فیلم‌های ضخیمی که توسط ZDDP تشکیل می‌شوند، به دما وابسته هستند و عمدتاً از ترکیبات زیر تشکیل شده‌اند:

• روی
• ارتوفسفات
• شیشه پلی‌فسفاتی

همچنین هرچه به سطح فلز نزدیک‌تر می‌شویم، سهم زنجیره‌های پلی‌فسفاتی افزایش می‌یابد.

ارتباط ویسکوزیته، فیلم روانکار و بهبوددهنده‌های اصطکاک

با سخت‌گیرانه‌تر شدن استانداردهای مربوط به مصرف سوخت و بهره‌وری انرژی، الزامات بیشتری از روغن‌های موتور انتظار خواهد رفت.

اگرچه فناوری بهبوددهنده‌های اصطکاک همچنان در حال توسعه است، یکی از مؤثرترین روش‌ها برای بهبود مصرف سوخت یا کاهش مصرف انرژی، کاهش ویسکوزیته روانکار است.

اما این کاهش ویسکوزیته حدی دارد. اگر ویسکوزیته بیش از حد کاهش یابد، ممکن است فیلم هیدرودینامیکی (Hydrodynamic Film) دیگر قادر به جداسازی کامل سطوح نباشد و سیستم از رژیم روانکاری هیدرودینامیکی وارد یکی از دو رژیم روانکاری فیلم مخلوط (Mixed-Film Lubrication) یا روانکاری مرزی (Boundary Lubrication) شود.

دقیقاً در همین دو رژیم روانکاری است که استفاده از بهبوددهنده‌های اصطکاک برای کاهش اصطکاک اهمیت حیاتی پیدا می‌کند.

نتیجه‌گیری

در طراحی روغن‌های موتور مدرن، کاهش ویسکوزیته به‌تنهایی راهکار کافی برای کاهش اصطکاک نیست. کاهش ویسکوزیته باعث کاهش تلفات هیدرودینامیکی و اصطکاک سیال می‌شود، اما با کاهش ضخامت فیلم روانکار، احتمال ورود سطوح به شرایط تماس مرزی و مخلوط افزایش می‌یابد.

در این شرایط، عملکرد افزودنی‌هایی مانند بهبوددهنده‌های اصطکاک، ZDDP و سایر افزودنی‌های سطح‌فعال تعیین‌کننده می‌شود. این مواد با تشکیل فیلم‌های مرزی و اصلاح رفتار برشی در فصل مشترک سطوح، امکان استفاده از روغن‌های با ویسکوزیته پایین‌تر را بدون افزایش نامطلوب سایش و اصطکاک فراهم می‌کنند.

اطلاعات این مقاله برگرفته از این منبع می‌باشد.