塑料齒輪NVH性能的實驗研究

高性能塑料齒輪因重量輕、潤滑少、成本低、NVH性能優(yōu)等優(yōu)勢漸替金屬齒輪。本研究提出了一種實驗方法，用于在應(yīng)用運行條件下表征塑料齒輪的NVH性能，并提供了基于齒輪**NVH性能的材料選擇指南。

一、塑料齒輪的廣大使用場景及局限

高性能塑料齒輪憑借諸多優(yōu)勢，正日益在眾多應(yīng)用中取代金屬齒輪。其中最重要的優(yōu)勢包括重量更輕、潤滑需求大幅降低、批量生產(chǎn)成本更具效益、NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能顯著更優(yōu)以及耐化學(xué)性。大多數(shù)塑料齒輪通過注塑成型生產(chǎn)，這使其具備極大的設(shè)計靈活性，例如可將多個機械元件整合為一個模塑部件，同時還能對齒輪幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，如增大齒根圓角或改變齒廓形狀（參考文獻(xiàn)1）。

當(dāng)然，與金屬齒輪相比，塑料齒輪也存在一些缺點。最顯著的是承載能力較低、導(dǎo)熱性較差、機械性能易受溫度變化影響以及可達(dá)到的制造精度較低。承載能力是最重要的性能指標(biāo)；已有多項研究探索了改善其承載能力的方法，要么通過特殊的齒輪設(shè)計（參考文獻(xiàn)2），要么通過改進(jìn)材料（參考文獻(xiàn)3）。

隨著客戶需求的不斷提高，聚合物齒輪的NVH性能也日益受到重視。Hoskins等人開展了早期關(guān)于聚合物齒輪聲學(xué)性能的研究（參考文獻(xiàn)4），研究人員考察了聚合物齒輪所用的不同材料以及不同運行環(huán)境對聲頻譜的影響。齒面間相互作用產(chǎn)生的表面紋理、磨損和溫度等參數(shù)被認(rèn)為是影響聲能強度的因素。

Trobentar等人（參考文獻(xiàn)5）比較了不同齒廓（即漸開線齒廓和S形齒廓）聚合物齒輪的聲學(xué)性能。S形齒輪的齒廓具有凸齒頂和凹齒根，這使其接觸路徑呈逐漸彎曲的“S”形。作者發(fā)現(xiàn)，由于接觸條件更優(yōu)，S形齒輪的噪聲低于漸開線齒輪——Polanec等人（參考文獻(xiàn)6）研究了涂層聚甲醛（POM）聚合物齒輪的噪聲。研究考察了三種物理氣相沉積（PVD）涂層，即鋁涂層、鉻涂層和亞硝酸鉻涂層。研究表明，未涂層的聚合物齒輪聲壓級最低；因此，未能證實涂層對降低噪聲有積極影響。此外，涂層在運行過程中會開始剝落，導(dǎo)致摩擦增大和嚙合干擾，進(jìn)而使聲壓級升高。

van Wissen等人的研究（參考文獻(xiàn)7）探討了聚酰胺（PA）46齒輪的NVH性能。作者研究了一對均由PA46制成的齒輪的噪聲特性，并將結(jié)果與PA46齒輪與鋼齒輪嚙合的情況進(jìn)行了比較。測試在三種不同轉(zhuǎn)速（從200轉(zhuǎn)/分到800轉(zhuǎn)/分）和三種不同扭矩（從0.2牛·米到1牛·米）下進(jìn)行。結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)速升高，噪聲急劇增加。扭矩增大時也觀察到了類似的現(xiàn)象。Cathelin對塑料齒輪的NVH進(jìn)行了系統(tǒng)性研究（參考文獻(xiàn)8）。該研究揭示了塑料齒輪NVH的復(fù)雜特性，其在很大程度上取決于運行條件。研究中測試了多種未增強的材料牌號，但測試的齒輪對始終由相同材料制成。研究還將其與在相同條件下測試的鋼齒輪對進(jìn)行了比較，凸顯出塑料齒輪相較于鋼齒輪更優(yōu)異的NVH性能。

二、塑料齒輪NVH的實驗方法

本研究提出了一種實驗方法，用于在類應(yīng)用運行條件下表征塑料齒輪的NVH性能，并提供了基于齒輪**NVH性能的材料選擇指南。研究采用了五種不同的塑料材料組合，包括未增強和纖維增強的材料；但在測試中，始終采用不同的材料組合。將所評估的噪聲和振動與基準(zhǔn)鋼齒輪對進(jìn)行了比較。

2.1）齒輪樣品制備

測試齒輪的幾何結(jié)構(gòu)根據(jù)德國工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（VDI）2736第4部分表1（參考文獻(xiàn)1）確定。塑料齒輪按照VDI 2736中的“1號尺寸齒輪幾何結(jié)構(gòu)”進(jìn)行生產(chǎn)和測試。齒輪的幾何參數(shù)如表1所示。齒輪通過單型腔注塑模具注塑成型。使用恩格爾Victory 50（奧地利恩格爾奧地利有限公司）注塑機進(jìn)行成型。模具采用熱流道系統(tǒng)和直徑為1.3毫米的中心針點澆口。齒輪本體設(shè)計為波浪形結(jié)構(gòu)，厚度均勻為2.5毫米（圖1）。齒輪本體與輪齒的過渡處設(shè)計有對稱凹槽，以實現(xiàn)輪齒的對稱填充。生產(chǎn)齒輪所使用的7種商用塑料化合物，均為齒輪應(yīng)用中常用的材料。模具設(shè)計為可更換型腔，因此使用了多個不同的型腔進(jìn)行成型，以補償測試材料的不同收縮率。其目的是使所有齒輪的質(zhì)量處于同一水平，以排除齒輪質(zhì)量對NVH性能的影響。所用材料牌號的基本成分如下：

1、聚甲醛（均聚物）——POM

2、聚酰胺66——PA66

3、聚酰胺6+15%玻璃纖維——PA6+15%GF

4、聚鄰苯二甲酰胺+30%玻璃纖維——PPA+30%GF

5、聚酰胺66+30%玻璃纖維——PA66+30%GF

6、聚甲醛+10%芳綸纖維——POM+10%AF

作為比較基準(zhǔn)，還生產(chǎn)了三組鋼齒輪（熱處理42CrMo4鋼）。

表1——測試齒輪的幾何參數(shù)

圖1——測試齒輪樣品

2.2）齒輪質(zhì)量檢測

每種材料的三個齒輪在蔡司三坐標(biāo)測量機上進(jìn)行幾何質(zhì)量測量，使用蔡司VAST XXT掃描傳感器（圖2）。測量的齒輪參數(shù)包括齒廓、齒向、齒距和徑向跳動，這些參數(shù)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）1328（參考文獻(xiàn)9）齒輪質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表征。所評估的參數(shù)及相關(guān)質(zhì)量等級匯總于表2。基于評估的質(zhì)量等級（所有七種材料的質(zhì)量等級處于相當(dāng)水平），可以得出結(jié)論：齒輪的質(zhì)量等級對測試過程中齒輪對的NVH響應(yīng)沒有顯著影響。

圖2——幾何質(zhì)量檢測中的樣品齒輪