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性能優等優勢漸替金屬齒輪。本研究提出了一種實驗方法，用于在應用運行條件下表征塑料齒輪的NVH性能，并提供了基于齒輪最佳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勢，正日益在眾多應用中取代金屬齒輪。其中最重要的優勢包括重量更輕、潤滑需求大幅降低、批量生產成本更具效益、NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能顯著更優以及耐化學性。大多數塑料齒輪通過注塑成型生產，這使其具備極大的設計靈活性，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構進行修改，如增大齒根圓角或改變齒廓形狀（參考文獻1）。
當然，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、導熱性較差、機械性能易受溫度變化影響以及可達到的制造精度較低。承載能力是最重要的性能指標；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計（參考文獻2），要么通過改進材料（參考文獻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等人開展了早期關于聚合物齒輪聲學性能的研究（參考文獻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境對聲頻譜的影響。齒面間相互作用產生的表面紋理、磨損和溫度等參數被認為是影響聲能強度的因素。
Trobentar等人（參考文獻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。作者發現，由于接觸條件更優，S形齒輪的噪聲低于漸開線齒輪——Polanec等人（參考文獻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，導致摩擦增大和嚙合干擾，進而使聲壓級升高。
van Wissen等人的研究（參考文獻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，并將結果與PA46齒輪與鋼齒輪嚙合的情況進行了比較。測試在三種不同轉速（從200轉/分到800轉/分）和三種不同扭矩（從0.2牛·米到1牛·米）下進行。結果顯示，隨著轉速升高，噪聲急劇增加。扭矩增大時也觀察到了類似的現象。Cathelin對塑料齒輪的NVH進行了系統性研究（參考文獻8）。該研究揭示了塑料齒輪NVH的復雜特性，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行了比較，凸顯出塑料齒輪相較于鋼齒輪更優異的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，用于在類應用運行條件下表征塑料齒輪的NVH性能，并提供了基于齒輪最佳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鋼齒輪對進行了比較。
2.1）齒輪樣品制備
測試齒輪的幾何結構根據德國工程師協會標準（VDI）2736第4部分表1（參考文獻1）確定。塑料齒輪按照VDI 2736中的“1號尺寸齒輪幾何結構”進行生產和測試。齒輪的幾何參數如表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）注塑機進行成型。模具采用熱流道系統和直徑為1.3毫米的中心針點澆口。齒輪本體設計為波浪形結構，厚度均勻為2.5毫米（圖1）。齒輪本體與輪齒的過渡處設計有對稱凹槽，以實現輪齒的對稱填充。生產齒輪所使用的7種商用塑料化合物，均為齒輪應用中常用的材料。模具設計為可更換型腔，因此使用了多個不同的型腔進行成型，以補償測試材料的不同收縮率。其目的是使所有齒輪的質量處于同一水平，以排除齒輪質量對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，還生產了三組鋼齒輪（熱處理42CrMo4鋼）。
表1——測試齒輪的幾何參數
圖1——測試齒輪樣品
2.2）齒輪質量檢測
每種材料的三個齒輪在蔡司三坐標測量機上進行幾何質量測量，使用蔡司VAST XXT掃描傳感器（圖2）。測量的齒輪參數包括齒廓、齒向、齒距和徑向跳動，這些參數根據國際標準化組織（ISO）1328（參考文獻9）齒輪質量檢測標準進行表征。所評估的參數及相關質量等級匯總于表2。基于評估的質量等級（所有七種材料的質量等級處于相當水平），可以得出結論：齒輪的質量等級對測試過程中齒輪對的NVH響應沒有顯著影響。
圖2——幾何質量檢測中的樣品齒輪