应用聚合物齿轮对汽车变速箱性能的提升

孙灏

（华威大学工程学院，考文垂CV4 7AL）

啮合齿轮结构广泛应用于汽车工业中，是汽车动力总成的主要组成部分。传统结构中，汽车动力总成系统中使用金属齿轮，其具备的高强度、高刚度、长寿命和耐高温等优良特性受到广泛青睐。然而，金属齿轮重量大，需要连续润滑，并且在运行过程中会产生较大的噪音。

使用聚合物齿轮，可以显著的减轻重量并降低惯性，实现更高的功率重量比和更高的燃油效率。而且与金属齿轮相比，聚合物齿轮还具备低噪音、对润滑的依赖低及制造成本低等优点。但是，聚合物齿轮在工作时，容易受到高工作温度、高扭矩和高转速的影响。

许多学者［1-3］研究了高性能聚合物齿轮的承载能力和失效模式，并考虑了其在摩托车上的应用，制造了110cc STAR CITY+摩托车的主副驱动齿轮。

尽管国内外学者已做了许多工作，但是能否将聚合物材料用于汽车变速箱尚欠缺深入讨论。本文提出一种对汽车变速箱进行局部尺寸调节，使应力降低到可以使用聚合物齿轮的范围。主要通过仿真的手段验证聚合物齿轮在更高功率、转速、扭矩的小汽车上使用的可能性。

1 聚合物齿轮应力计算

齿轮传动的失效形式主要有轮齿折断和齿面损伤两类。齿面损伤又有齿面接触疲劳磨损（点蚀）、胶合、磨粒磨损和塑性流动等。［4］

所以，通过校核齿面接触应力以及齿根弯曲应力可判断齿轮能否适用于特定工况。

1.1 聚合物材料选择

聚酰胺、聚甲醛、聚苯硫醚、聚碳酸酯和聚醚醚酮（PEEK）等聚合物材料被广泛用于齿轮制造中，如图1所示［5］。其中，聚醚醚酮是新近研发出来的一种材料，以其耐磨、耐高温、耐化学性和高强度而闻名。与其他聚合物材料相比，聚醚醚酮的热稳定性较高,原因是主链重复单元中存在芳香基，如图2所示［6］,热稳定性随芳香基相对数量的增加而增加，从而可用于高达260℃的工况，这与其他半结晶聚合物材料相比非常高。［7］

聚醚醚酮混合玻璃纤维或碳纤维可增强其强度及耐磨性。为了应用于高负载的汽车变速箱，本文采用70%聚醚醚酮加30%碳纤维的增强材料PEEK CF30。

图1 碳纤维增强聚合物齿轮

图2 聚醚醚酮聚合物结构

1.2 齿根弯曲应力

Lewis Equation［8］的变形为：

1.3 齿面弯曲应力

Hertz theory［9］的变形为：

式中，P为作用在齿轮上的切向负载，单位为N；T为传动力矩，单位为N⋅m；σb为齿根弯曲应力,单位为MPa；b为齿宽，单位为mm；m为齿轮模数，单位为mm；d为分度圆直径，单位为mm；y'为在节点附近的齿形系数；z为齿数；i为齿数比，i=z2/z1；E为杨氏模量，单位为MPa；α为齿形角。

数据（以下以倒档主动轮为例）：

T=49.5 N⋅m ；z=12；d=25.404 mm ；

b=15 mm(原尺寸)；b=20 mm(调整后)；

y'=0.415；P=3 897.02 N ；α=20°；

E=36 700 MPa；i=2.5。

计算结果如下：

原尺寸：

σb=295.72 MPa；

σH=756.46 MPa。

调整后：

σb=221.79 MPa；

σH=655.11 MPa。

故鉴于理论分析，将倒档的齿宽由15 mm增大到20 mm，即可将应力降低至PEEK CF30应用的范围，变速箱整体重量由降低了0.70 kg。

2 汽车变速器模型

由于汽车发动机，变速箱等核心原件均涉及知识产权，故本文使用GS5-65BH（如图3所示［10］，也称为Midlands R65，技术资料已公开）变速箱建模进行仿真。该变速箱2001年至2004年用于Mini One和Mini Cooper，是一个双轴五速手动齿轮箱。

图3 GS5-65BH变速箱

图3中，1为3和4档换挡轴；2为1、2和5档换挡轴；3为3和4档换档拔叉；4为1和2档换档拔叉；5为选档杠杆；6为锁止机构。

构建变速箱模型，如图4所示，仿真软件为SMT MASTA 8.3。

图4 GS5-65BH变速箱模型

3 实验校验方案

如图5所示的专用实验台将用于在恒定载荷下测试齿轮表面的磨损率。电机提供驱动力，可以通过更换皮带轮模块来改变速度。齿轮箱被设计为闭环系统，因此不需要负载。加载杆用于设置两齿轮之间的扭矩［11-12］。

图5 专用实验台实拍

图6 专用实验台结构图

图6中，1为主动轮；7为锥形离合器；2为从动轮；8为滑轮；3为支点模块；9为马达；4为驱动轴；10为电动机控制器；5为万向联轴器；11为配重；6为传动轴；12为线性差动变压器。

由于倒档惰轮最容易损坏，故将改进后的倒档堕轮进行实验，输入扭矩为49.5 N·m，转速为3 000 rpm。如果惰轮在满负载状态下运行3 h不发生损坏，即可评定其表面磨损达到实际使用要求，可应用于汽车变速箱倒档，从而达到降低整体重量的目的。

4 仿真校验方案

发动机型号为W10B16，运行时转速，工作时长及输入扭矩如表1所示。

表1 各档位对应输入扭矩、转速、工作时长

图7 GS5-65BH变速箱2D视图

以倒档为例，仿真结果如表2所示。

表2 原齿轮箱倒档主、从动轮和惰轮的σb、σH

倒档主动轮：

σb=566.444 8 MPa

σH=2 259.934 1 MPa

倒档从动轮：

σb=523.943 5 MPa

σH=1 369.525 MPa

倒档惰轮（与主动轮啮合）：

σb=489.551 9 MPa

σH=1 814.271 8 MPa

倒档惰轮（与从动轮啮合）：

σb=485.217 5 MPa

σH=1 369.525 MPa

调整齿轮尺寸，在维持齿数不变的条件下，增大齿宽，模数，分度圆直径后，图8为简化后的模型。

图8 调整尺寸后GS5-65BH变速箱倒档2D视图

对调节尺寸后的轮系运行仿真，得到结果，如表3所示。

表3 调整尺寸后5档主从齿轮σb、σH

调节尺寸后的倒档主动轮：

σb=385.311 9 MPa

σH=792.015 8 MPa

调节尺寸后的倒档从动轮：

σb=318.844 2 MPa

σH=465.789 7 MPa

调节尺寸后的倒档惰轮（与主动轮啮合）：

σb=311.875 2 MPa

σH=635.829 1 MPa

调节尺寸后的倒档惰轮（与从动轮啮合）：

σb=295.277 6 MPa

σH=465.789 7 MPa

仿真结果显示，齿根弯曲应力已降至400 MPa以下，低于PEEK CF30的最大齿根弯曲应力。PEEK CF30密度为1.4 g/cm3左右，而钢制齿轮的密度为7.8 g/cm3。在本文所描述的仿真中进行结构优化，调整齿轮尺寸，逐步更换齿轮、轴材料，可以将变速箱变得更轻。

齿面接触应力由1 500 MPa降至800 MPa，由于现有的理论还无法对聚合物齿轮的许用接触应力制定明确的标准，对齿轮的表面接触应力只能通过实验的手段对特定齿轮进行测量归纳。

5 结论

在合理范围内增大齿轮模数、齿宽，可以在不降低扭矩的情况下将金属齿轮替换成聚合物（PEEK CF30）齿轮。文中所提出的变速箱改进方案使用PEEK CF30齿轮替换倒档金属齿轮，将重量由0.923 4 kg降低至0.223 5 kg，从而实现更高的功率重量比和更高的燃油效率经理论分析、实验校验、仿真校验，均满足使用条件，故可行。