應(yīng)用聚合物齒輪對(duì)汽車變速箱性能的提升

孫灝

（華威大學(xué)工程學(xué)院，考文垂CV4 7AL）

嚙合齒輪結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中，是汽車動(dòng)力總成的主要組成部分。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)中使用金屬齒輪，其具備的高強(qiáng)度、高剛度、長(zhǎng)壽命和耐高溫等優(yōu)良特性受到廣泛青睞。然而，金屬齒輪重量大，需要連續(xù)潤(rùn)滑，并且在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。

使用聚合物齒輪，可以顯著的減輕重量并降低慣性，實(shí)現(xiàn)更高的功率重量比和更高的燃油效率。而且與金屬齒輪相比，聚合物齒輪還具備低噪音、對(duì)潤(rùn)滑的依賴低及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，聚合物齒輪在工作時(shí)，容易受到高工作溫度、高扭矩和高轉(zhuǎn)速的影響。

許多學(xué)者［1-3］研究了高性能聚合物齒輪的承載能力和失效模式，并考慮了其在摩托車上的應(yīng)用，制造了110cc STAR CITY+摩托車的主副驅(qū)動(dòng)齒輪。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了許多工作，但是能否將聚合物材料用于汽車變速箱尚欠缺深入討論。本文提出一種對(duì)汽車變速箱進(jìn)行局部尺寸調(diào)節(jié)，使應(yīng)力降低到可以使用聚合物齒輪的范圍。主要通過(guò)仿真的手段驗(yàn)證聚合物齒輪在更高功率、轉(zhuǎn)速、扭矩的小汽車上使用的可能性。

1 聚合物齒輪應(yīng)力計(jì)算

齒輪傳動(dòng)的失效形式主要有輪齒折斷和齒面損傷兩類。齒面損傷又有齒面接觸疲勞磨損（點(diǎn)蝕）、膠合、磨粒磨損和塑性流動(dòng)等。［4］

所以，通過(guò)校核齒面接觸應(yīng)力以及齒根彎曲應(yīng)力可判斷齒輪能否適用于特定工況。

1.1 聚合物材料選擇

聚酰胺、聚甲醛、聚苯硫醚、聚碳酸酯和聚醚醚酮（PEEK）等聚合物材料被廣泛用于齒輪制造中，如圖1所示［5］。其中，聚醚醚酮是新近研發(fā)出來(lái)的一種材料，以其耐磨、耐高溫、耐化學(xué)性和高強(qiáng)度而聞名。與其他聚合物材料相比，聚醚醚酮的熱穩(wěn)定性較高,原因是主鏈重復(fù)單元中存在芳香基，如圖2所示［6］,熱穩(wěn)定性隨芳香基相對(duì)數(shù)量的增加而增加，從而可用于高達(dá)260℃的工況，這與其他半結(jié)晶聚合物材料相比非常高。［7］

聚醚醚酮混合玻璃纖維或碳纖維可增強(qiáng)其強(qiáng)度及耐磨性。為了應(yīng)用于高負(fù)載的汽車變速箱，本文采用70%聚醚醚酮加30%碳纖維的增強(qiáng)材料PEEK CF30。

圖1 碳纖維增強(qiáng)聚合物齒輪

圖2 聚醚醚酮聚合物結(jié)構(gòu)

1.2 齒根彎曲應(yīng)力

Lewis Equation［8］的變形為：

1.3 齒面彎曲應(yīng)力

Hertz theory［9］的變形為：

式中，P為作用在齒輪上的切向負(fù)載，單位為N；T為傳動(dòng)力矩，單位為N?m；σb為齒根彎曲應(yīng)力,單位為MPa；b為齒寬，單位為mm；m為齒輪模數(shù)，單位為mm；d為分度圓直徑，單位為mm；y'為在節(jié)點(diǎn)附近的齒形系數(shù)；z為齒數(shù)；i為齒數(shù)比，i=z2/z1；E為楊氏模量，單位為MPa；α為齒形角。

數(shù)據(jù)（以下以倒檔主動(dòng)輪為例）：

T=49.5 N?m ；z=12；d=25.404 mm ；

b=15 mm(原尺寸)；b=20 mm(調(diào)整后)；

y'=0.415；P=3 897.02 N ；α=20°；

E=36 700 MPa；i=2.5。

計(jì)算結(jié)果如下：

原尺寸：

σb=295.72 MPa；

σH=756.46 MPa。

調(diào)整后：

σb=221.79 MPa；

σH=655.11 MPa。

故鑒于理論分析，將倒檔的齒寬由15 mm增大到20 mm，即可將應(yīng)力降低至PEEK CF30應(yīng)用的范圍，變速箱整體重量由降低了0.70 kg。

2 汽車變速器模型

由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱等核心原件均涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)，故本文使用GS5-65BH（如圖3所示［10］，也稱為Midlands R65，技術(shù)資料已公開）變速箱建模進(jìn)行仿真。該變速箱2001年至2004年用于Mini One和Mini Cooper，是一個(gè)雙軸五速手動(dòng)齒輪箱。

圖3 GS5-65BH變速箱

圖3中，1為3和4檔換擋軸；2為1、2和5檔換擋軸；3為3和4檔換檔拔叉；4為1和2檔換檔拔叉；5為選檔杠桿；6為鎖止機(jī)構(gòu)。

構(gòu)建變速箱模型，如圖4所示，仿真軟件為SMT MASTA 8.3。

圖4 GS5-65BH變速箱模型

3 實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)方案

如圖5所示的專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)將用于在恒定載荷下測(cè)試齒輪表面的磨損率。電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，可以通過(guò)更換皮帶輪模塊來(lái)改變速度。齒輪箱被設(shè)計(jì)為閉環(huán)系統(tǒng)，因此不需要負(fù)載。加載桿用于設(shè)置兩齒輪之間的扭矩［11-12］。

圖5 專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)拍

圖6 專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖6中，1為主動(dòng)輪；7為錐形離合器；2為從動(dòng)輪；8為滑輪；3為支點(diǎn)模塊；9為馬達(dá)；4為驅(qū)動(dòng)軸；10為電動(dòng)機(jī)控制器；5為萬(wàn)向聯(lián)軸器；11為配重；6為傳動(dòng)軸；12為線性差動(dòng)變壓器。

由于倒檔惰輪最容易損壞，故將改進(jìn)后的倒檔墮輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輸入扭矩為49.5 N·m，轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。如果惰輪在滿負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行3 h不發(fā)生損壞，即可評(píng)定其表面磨損達(dá)到實(shí)際使用要求，可應(yīng)用于汽車變速箱倒檔，從而達(dá)到降低整體重量的目的。

4 仿真校驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為W10B16，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速，工作時(shí)長(zhǎng)及輸入扭矩如表1所示。

表1 各檔位對(duì)應(yīng)輸入扭矩、轉(zhuǎn)速、工作時(shí)長(zhǎng)

圖7 GS5-65BH變速箱2D視圖

以倒檔為例，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 原齒輪箱倒檔主、從動(dòng)輪和惰輪的σb、σH

倒檔主動(dòng)輪：

σb=566.444 8 MPa

σH=2 259.934 1 MPa

倒檔從動(dòng)輪：

σb=523.943 5 MPa

σH=1 369.525 MPa

倒檔惰輪（與主動(dòng)輪嚙合）：

σb=489.551 9 MPa

σH=1 814.271 8 MPa

倒檔惰輪（與從動(dòng)輪嚙合）：

σb=485.217 5 MPa

σH=1 369.525 MPa

調(diào)整齒輪尺寸，在維持齒數(shù)不變的條件下，增大齒寬，模數(shù)，分度圓直徑后，圖8為簡(jiǎn)化后的模型。

圖8 調(diào)整尺寸后GS5-65BH變速箱倒檔2D視圖

對(duì)調(diào)節(jié)尺寸后的輪系運(yùn)行仿真，得到結(jié)果，如表3所示。

表3 調(diào)整尺寸后5檔主從齒輪σb、σH

調(diào)節(jié)尺寸后的倒檔主動(dòng)輪：

σb=385.311 9 MPa

σH=792.015 8 MPa

調(diào)節(jié)尺寸后的倒檔從動(dòng)輪：

σb=318.844 2 MPa

σH=465.789 7 MPa

調(diào)節(jié)尺寸后的倒檔惰輪（與主動(dòng)輪嚙合）：

σb=311.875 2 MPa

σH=635.829 1 MPa

調(diào)節(jié)尺寸后的倒檔惰輪（與從動(dòng)輪嚙合）：

σb=295.277 6 MPa

σH=465.789 7 MPa

仿真結(jié)果顯示，齒根彎曲應(yīng)力已降至400 MPa以下，低于PEEK CF30的最大齒根彎曲應(yīng)力。PEEK CF30密度為1.4 g/cm3左右，而鋼制齒輪的密度為7.8 g/cm3。在本文所描述的仿真中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整齒輪尺寸，逐步更換齒輪、軸材料，可以將變速箱變得更輕。

齒面接觸應(yīng)力由1 500 MPa降至800 MPa，由于現(xiàn)有的理論還無(wú)法對(duì)聚合物齒輪的許用接觸應(yīng)力制定明確的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)齒輪的表面接觸應(yīng)力只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)特定齒輪進(jìn)行測(cè)量歸納。

5 結(jié)論

在合理范圍內(nèi)增大齒輪模數(shù)、齒寬，可以在不降低扭矩的情況下將金屬齒輪替換成聚合物（PEEK CF30）齒輪。文中所提出的變速箱改進(jìn)方案使用PEEK CF30齒輪替換倒檔金屬齒輪，將重量由0.923 4 kg降低至0.223 5 kg，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率重量比和更高的燃油效率經(jīng)理論分析、實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)、仿真校驗(yàn)，均滿足使用條件，故可行。