基于標稱齒輪當量載荷的聚合物齒輪齒面承載能力評價方法

胡新磊 劉懷舉 魏沛堂 盧澤華 廖常軍 朱加贊

1.重慶大學高端裝備機械傳動全國重點實驗室,重慶,400044 2.中國航發四川燃氣渦輪研究院,成都,610500

0 引言

聚合物齒輪以其自潤滑性、低成本、低密度、高回彈性和內阻尼特性等優點越來越受到重視[1],其應用領域也逐漸由玩具、儀表儀器、打印機等運動傳動領域向車輛轉向系統、發動機平衡軸等動力傳動領域擴展,呈現“以塑代鋼”的發展趨勢[2]。在長期研究過程中,金屬齒輪形成了較為完備的齒面承載能力評價方法[3-5],然而聚合物齒輪因材料特性與金屬存在顯著差異,其失效形式、疲勞壽命和齒面承載能力也存在顯著差異。如不同材料聚合物齒輪彈性模量差異較大,采用接觸疲勞強度極限評估時往往與實際齒面承載能力不符,因而金屬齒輪齒面承載能力評價方法不能直接指導聚合物齒輪齒面承載能力評估,探索聚合物齒輪齒面承載能力評價方法成為目前聚合物齒輪研究與工程應用的當務之急。

近四十年來,研究人員開展了大量的聚合物齒輪試驗研究,發現不同材料聚合物齒輪的齒面承載能力和失效模式存在較大差異,同時其齒面承載能力受潤滑狀態、運行溫度等外界服役條件影響顯著。ODROBINA等[6]測試了干接觸下機加工1.25 mm模數POM(聚甲醛)和PA6(聚酰胺)齒輪的載荷極限,結果表明,POM齒輪發生疲勞斷裂時的極限載荷比PA6齒輪發生疲勞斷裂時的極限載荷高122%,PA6齒輪的變形量比POM齒輪的變形量大140%。ZHONG等[7]對比了油潤滑下40 N·m輸出扭矩時POM和PK(聚酮)齒輪的失效模式和耐久壽命,發現POM齒輪和PK齒輪均發生接觸疲勞失效,高載荷下POM齒輪服役壽命比PK齒輪的服役壽命長70%,但低載荷下兩者服役壽命沒有明顯差異。HRIBEREK等[8]開展了POM/PA齒輪組合的耐久性測試,與普通聚酰胺齒輪相比,在發生熔化失效時,玻纖強化聚酰胺齒輪在更高的負載下表現出了更好的耐用性。SENTHILVELAN等[9]分析了不同的速度和扭矩下注塑無強化PA6和20%短玻璃纖維強化PA6直齒輪的力學性能,發現玻璃纖維強化PA6齒輪的性能都優于未加強PA6齒輪的性能。研究人員在研究不同材料類型對聚合物齒輪服役性能影響的同時,也逐漸開始關注聚合物齒輪潤滑方式的影響。

工程應用中聚合物齒輪的主要潤滑方式有干摩擦、脂潤滑和油潤滑等。早期運動傳動領域中,聚合物齒輪多處于干摩擦或脂潤滑狀態。MAO等[10]研究了尼龍和玻纖強化尼龍齒輪副在干接觸下的磨損行為,發現玻纖強化尼龍齒輪磨損率低于尼龍齒輪磨損率。SENTHILVELAN等[11]的聚合物齒輪耐久試驗結果表明,聚合物齒輪的磨損不僅與扭矩相關,還與轉速關聯密切,隨轉速提高齒輪磨損量也逐漸增加,而玻纖強化提高了PA齒輪在室溫和高溫下的強度和模量,進而提高了耐磨性。隨著聚合物齒輪齒面承載能力的提高,干接觸下聚合物齒輪傳熱效率低,加之材料本身熱導率小,嚙合過程中齒面熱量大量積累使得熱失效風險較大[2],阻礙了聚合物齒輪在高速重載場合的應用。為解決該問題,合理的潤滑劑使用可有效減少齒面摩擦,降低嚙合溫度和表面能量,優化塑料齒輪服役條件,提高塑料齒輪齒面承載能力,從而有利于推動它在動力傳動領域的應用。ILLENBERGER等[12-14]開展了大量油潤滑聚合物齒輪耐久性能試驗,發現油潤滑下聚合物齒輪均發生疲勞失效,主要表現為齒面點蝕和齒根疲勞斷裂。盧澤華等[15]基于齒輪疲勞試驗機開展了干接觸/油潤滑下POM齒輪齒面承載能力試驗,發現干接觸下POM齒輪失效模式為過度磨損和融化,油潤滑下齒輪失效模式為齒面點蝕,油潤滑下齒輪齒體溫度相比環境溫度僅略微上升,證實了油潤滑可顯著降低POM齒輪溫度并提高齒面承載能力。TATSUMI等[16]通過齒輪耐久試驗也發現,與干接觸條件相比,無論聚合物齒輪材料類型如何,油潤滑可明顯減少齒輪副間的摩擦,提高齒面承載能力,且失效形式更穩定。

綜上所述,聚合物材料類型和潤滑方式等因素均會影響聚合物齒輪的齒面承載能力,然而目前以VDI 2736、BS 6168等為代表的標準規范移植金屬齒輪齒面承載能力評價方法,忽視了由于材料類型、運行溫度等帶來的力學性能和齒面承載能力差異,致使僅通過聚合物齒輪的應力、壽命和疲勞強度極限等指標評價聚合物齒輪齒面承載能力存在一定局限性。為此,本文通過開展不同潤滑方式下聚合物齒輪的系列耐久試驗,提出了一種基于標稱齒輪當量載荷的聚合物齒輪齒面承載能力評價方法,并分析了POM、PA66(聚酰胺)和PEEK(聚醚醚酮)典型聚合物齒輪在不同潤滑方式下的齒面承載能力,為推動聚合物齒輪在動力傳動領域的應用提供評價方法和基礎數據支撐。

1 聚合物試驗齒輪與處理方法

1.1 試驗齒輪與試驗裝置

為獲取足夠的聚合物齒輪齒面承載能力基礎數據,開展了133組POM和PEEK材料齒輪在脂潤滑和油潤滑狀態下的耐久試驗。其中POM齒輪耐久試驗包含脂潤滑和油潤滑兩種潤滑方式,PEEK齒輪耐久試驗均為噴油潤滑,同時引用文獻[17-19]中36組PA66齒輪數據,總共獲取169組聚合物齒輪試驗數據。其中,油潤滑方式占全部數據的66.3%,脂潤滑方式占33.7%。試驗齒輪均為漸開線圓柱齒輪,法向模數范圍為1～3 mm,符合國家標準GB/T 14229-2021 齒輪接觸疲勞強度試驗方法[20]中基礎數據測定所推薦的齒輪參數。圖1所示為所開展的聚合物齒輪齒面承載能力試驗的統計情況。

圖1 聚合物試驗齒輪統計Fig.1 Statistics of polymer test gear

聚合物齒輪齒面承載能力試驗均采用重慶大學的聚合物齒輪耐久試驗臺進行,該試驗臺由2個主軸箱、2個驅動電機、導軌和監測系統等組成。試驗臺類型符合VDI 2736-4 Thermoplastic gear wheels-Determination of strength parameters on gears[21]規定。齒輪運行過程中基于紅外線熱成像儀每隔一定循環次數檢測齒輪齒體溫度,紅外線熱成像儀發射系數ε=0.95[22]。齒輪試驗臺和紅外線熱成像儀如圖2所示。

圖2 聚合物齒輪耐久試驗臺與紅外線熱成像儀Fig.2 Polymer gear durability test rig and infrared thermal imager

試驗前先對聚合物齒輪進行超聲波清洗、粗糙度檢測和精度檢測,保證相同試驗齒輪之間的幾何精度不存在較大差異,以提高試驗數據的準確性。試驗開始后,每隔105r停機進行齒輪齒體運行溫度的測量,同時觀察齒輪的失效程度,當齒輪的失效狀態滿足失效標準[20]時停止試驗。

1.2 試驗數據處理方法

試驗齒輪常用的壽命分布函數有正態分布、對數正態分布和三參數威布爾分布,根據以往的試驗經驗[7],本文采用三參數威布爾分布來處理試驗齒輪的接觸疲勞壽命數據并擬合接觸疲勞P-S-N曲線。

根據國家標準GB/T 14229-2021 齒輪接觸疲勞強度試驗方法[20],在相同載荷水平下,齒輪疲勞壽命按遞增順序排列,估計分布類型的參數。

三參數威布爾分布函數的表達式為

(1)

式中,NL為齒面應力循環次數;η為威布爾分布函數的尺度參數;β為威布爾分布函數的形狀參數;γ為威布爾分布函數的位置參數。

試驗齒輪在不同可靠度P下的壽命分布函數計算表達式為

(2)

根據式(1)和式(2)可計算試驗齒輪在不同可靠度P下的疲勞壽命值,進而繪制出接觸疲勞失效概率疲勞壽命曲線。

2 聚合物齒輪齒面承載能力評價方法

2.1 聚合物齒輪齒面承載能力評價指標

目前聚合物齒輪齒面承載能力一般通過試驗獲取的S-N曲線或輸出扭矩進行評價,然而由于聚合物齒輪的材料和結構不同,導致聚合物齒輪的常規齒面承載能力評價方法具有一定局限性。圖3a為在三個載荷級下30%碳纖強化PEEK(30%CF-PEEK)齒輪和未強化PEEK齒輪的接觸疲勞S-N曲線[13],可以發現,相同輸出扭矩下碳纖強化PEEK齒輪的接觸應力均大于未強化PEEK齒輪的接觸應力,但碳纖強化PEEK齒輪的疲勞壽命卻短于未強化齒輪的疲勞壽命,試驗結果表明相同輸出扭矩下未增強PEEK齒輪的齒面承載能力高于碳纖強化PEEK齒輪的齒面承載能力。所以僅依靠聚合物齒輪的疲勞S-N曲線來評價齒輪的齒面承載能力具有一定局限性。圖3b為不同模數POM齒輪在脂潤滑下的T-N圖,相同接觸應力下,隨著POM齒輪模數的減小,輸出扭矩T也隨之減小,若僅用輸出扭矩的大小對不同模數聚合物齒輪的齒面承載能力進行評價也具有局限性。綜上,在聚合物齒輪的工程應用中亟需一種全面完善的聚合物齒輪齒面承載能力評價方法。

(a)30%碳纖PEEK齒輪和未強化PEEK齒輪接觸疲勞S-N曲線

(b)不同模數POM齒輪的T-N圖圖3 聚合物齒輪齒面承載能力的常規評價方法Fig.3 Conventional evaluation methods for the load- bearing capacity of polymer gear tooth surfaces

在大量聚合物齒輪的試驗基礎上,考慮使用當量載荷評價聚合物齒輪的齒面承載能力,當量載荷的概念最先應用在金屬軸承中,它作為軸承的理論載荷而進行軸承選型和設計。然而聚合物齒輪的彈性模量因聚合物材料不同而存在巨大差異,同時聚合物齒輪齒體溫度變化也會影響齒輪彈性模量[23],在聚合物齒輪實際應用過程中,齒輪齒體溫度會隨運行工況溫度不同而發生變化,因此使用當量載荷評價聚合物齒輪的齒面承載能力時必須考慮聚合物齒輪彈性模量隨聚合物材料和實際應用中齒輪齒體溫度變化的影響。聚合物齒輪當量載荷TC(N·m/mm)的計算公式為

(3)

式中,THlim為聚合物齒輪副接觸疲勞強度極限所對應的輸出扭矩,N·m;TFlim為聚合物齒輪副彎曲疲勞強度極限所對應的輸出扭矩, N·m;b為齒輪嚙合齒寬,mm。

VDI-2736-2[24]中聚合物齒輪齒面接觸應力σH的計算公式為

(4)

式中,ZE為彈性影響系數,它根據聚合物齒輪副的彈性模量變化而變化,進而影響聚合物齒輪的齒面接觸應力計算結果;ZH為區域系數;Zε為重合度系數;Zβ為螺旋角系數;T2為輸出扭矩;KH為載荷系數;u為傳動比;d1為齒輪分度圓直徑。

2.2 標稱齒輪確定

德國慕尼黑工業大學齒輪研究中心(FZG)在評價油品對齒輪膠合齒面承載能力的影響時,規定試驗齒輪必須采用FZG-A型齒輪[25]。統一試驗齒輪的幾何結構能有效降低試驗齒輪對膠合齒面承載能力的影響,進而提高研究油品對齒輪齒面承載能力影響時的精度。

然而在實際應用環境中,齒輪的幾何結構和環境溫度并非一成不變的,幾何結構的變化和環境溫度的變化均會對齒輪的承載能力產生較大影響,為消除聚合物齒輪幾何結構和環境溫度對聚合物齒輪當量載荷TC的影響,本文提出了標稱齒輪副的概念,將各結構尺寸聚合物齒輪的當量載荷轉換為標稱齒輪副的當量載荷,然后進行聚合物齒輪的齒面承載能力對比評價。根據FZG聚合物齒輪的試驗經驗[12-14],本文確定的標稱聚合物齒輪及其齒輪副參數如表1所示。潤滑方式選擇油潤滑。

表1 標稱齒輪副參數Tab.1 Nominal gear pair parameters

FZG-C型齒在試驗過程中更易發生齒面接觸疲勞失效,因此FZG在研究齒面承載能力時統一使用FZG-C型齒[26],為保證標稱試驗齒輪在試驗過程中優先發生接觸疲勞失效,標稱齒輪副的齒面比滑應盡可能地小。齒輪副的齒面比滑計算公式如下:

(5)

(6)

式中,下標1、2分別表示主動輪和從動輪;ξ1、ξ2分別為齒輪副主動輪和從動輪的齒面比滑;vg為嚙合點的滑動速度,m/s;vt為嚙合點的切向速度,m/s。

圖4所示為標稱齒輪副與FZG-C型齒輪副的齒面比滑,可以看出,FZG-C型齒輪副齒面比滑的最大絕對值為3.95,而標稱齒輪副齒面比滑的最大絕對值為0.78,標稱齒輪副的齒面比滑比FZG-C型齒輪副的齒面比滑更小,所以標稱齒輪在試驗過程中主要發生接觸疲勞失效。

(a)標稱齒輪副的齒面比滑

聚合物齒輪當量載荷TC的轉換技術路線如圖5所示。首先根據試驗數據繪制試驗齒輪的接觸疲勞S-N曲線,取循環基數5×106,基于接觸疲勞S-N曲線用圖解法獲得試驗齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim。若試驗齒輪本身為標稱齒輪,則直接求出齒輪接觸疲勞強度極限下的輸出扭矩THlim;若試驗齒輪與標稱齒輪有差異,則將試驗齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim轉換為標稱齒輪的接觸疲勞強度極限σ′Hlim,隨后計算出標稱齒輪接觸疲勞強度極限σ′Hlim下的輸出扭矩THlim。轉換過程考慮彈性模量的影響,將σHlim中的彈性模量E轉換為標稱齒輪的彈性模量E′,消除了標稱齒輪與非標稱齒輪彈性模量之間的差異,其中μ為材料的泊松比。最后,根據標稱齒輪和非標稱齒輪轉換為標稱齒輪上的輸出扭矩THlim并結合式(3)計算得到齒輪的當量載荷TC。從繪制非標稱齒輪和標稱齒輪的S-N曲線至計算標稱齒輪的當量載荷TC,整個過程消除了聚合物齒輪彈性模量和結構的影響,所形成的基礎數據能更好地評價聚合物齒輪的齒面承載能力,便于形成標準和推廣應用。

圖5 聚合物齒輪當量載荷的轉換技術路線Fig.5 Conversion technology route of equivalent load for polymer gears

3 試驗結果與討論

3.1 POM齒輪的齒面承載能力

由于齒輪齒體溫度會影響齒輪的接觸應力計算結果,因此在試驗過程中每隔一定循環次數使用紅外線熱成像儀記錄試驗齒輪齒體溫度,溫度記錄直至齒輪符合失效標準,每次記錄3個溫度值,并將其平均值作為該時刻下的實際溫度。輸出扭矩在40～100 N·m范圍內時,脂潤滑和油潤滑下POM齒輪齒體溫度隨載荷增大的變化幅度不明顯,可認為一定潤滑方式下POM齒輪齒體表面溫度基本不發生變化。圖6所示為輸入轉速1000 r/min、輸出扭矩40 N·m時,POM齒輪分別在脂潤滑和油潤滑方式下齒體溫度隨循環次數的變化趨勢,可以看出,油潤滑下POM齒輪齒體溫度最終穩定在45±2 ℃,脂潤滑下POM齒輪齒體溫度比油潤滑下高20 ℃。這是因為潤滑油會帶走齒體內的大量熱量,所以與脂潤滑下相比,油潤滑下齒輪齒體運行溫度更低。

圖6 油潤滑和脂潤滑下POM齒輪齒體運行溫度對比 Fig.6 Comparison of operating temperatures of POM gear teeth under oil lubrication and grease lubrication

基于1.2節中的聚合物齒輪試驗數據處理方法,繪制不同潤滑方式下POM齒輪的接觸疲勞P-S-N曲線,見圖7。油潤滑下POM齒輪的接觸疲勞P-S-N曲線見圖7a,可以看出,油潤滑下POM齒輪在50%、90%和99%可靠度下的接觸疲勞強度極限分別為60.94 MPa、52.96 MPa和46.3 MPa。脂潤滑下POM齒輪的接觸疲勞P-S-N曲線見圖7b,可以看出,POM齒輪在50%、90%和99%可靠度下的接觸疲勞強度極限分別為53.31 MPa、48.92 MPa和44.02 MPa。與脂潤滑方式相比,油潤滑下POM齒輪的接觸疲勞強度極限均更高。

圖8所示為油潤滑和脂潤滑下POM齒輪在不同可靠度下接觸疲勞強度極限所對應的輸出扭矩THlim,可以看出,在50%可靠度條件下,與脂潤滑方式相比,油潤滑方式下POM齒輪的THlim大10.2 N·m,且隨著可靠度的提高,不同潤滑方式下的輸出扭矩差異越來越小。

圖8 油潤滑和脂潤滑下標稱POM齒輪不同可靠度下的輸出扭矩Fig.8 Output torque of nominal POM gears in different reliability levels under oil lubrication and grease lubrication

根據式(3),可求得脂潤滑和油潤滑下POM齒輪在不同可靠度P下的接觸疲勞強度極限所對應的當量載荷TC,如表2所示。50%可靠度下,油潤滑下POM齒輪接觸疲勞強度極限所對應的TC為2.15 N·m/mm,脂潤滑下的TC為1.64 N·m/mm,在50%可靠度下,與脂潤滑方式相比,油潤滑下POM齒輪的齒面承載能力更高。

表2 油潤滑和脂潤滑下POM齒輪不同可靠度下的當量載荷TCTab.2 Equivalent load TC of POM gears under different reliabilities under oil lubrication and grease lubrication

3.2 POM和PEEK齒輪齒面承載能力的對比

圖9所示為油潤滑下模數為3 mm時POM齒輪和PEEK齒輪齒體運行溫度隨循環次數的變化趨勢,可以看出,當輸入轉速1000 r/min、輸出扭矩40 N·m時,油潤滑下POM齒輪和PEEK齒輪齒體溫度在齒輪副運轉后快速升高,隨后穩定在45±2 ℃,直到齒輪發生失效齒輪齒體溫度并未發生明顯變化。

圖9 油潤滑下POM齒輪和PEEK齒輪齒體運行溫度Fig.9 Operating temperature of POM and PEEK gear teeth under oil lubrication

圖10為油潤滑下PEEK齒輪的接觸疲勞P-S-N曲線。與圖7a中油潤滑下POM齒輪的接觸疲勞P-S-N曲線進行對比發現,PEEK齒輪在50%可靠度下的接觸疲勞強度極限為86.45 MPa,比采用POM齒輪時高出25.51 MPa。隨著可靠度的提高,與POM齒輪相比,PEEK齒輪的接觸疲勞強度極限下降速度明顯更高,甚至在99%可靠度下,PEEK齒輪和POM齒輪的接觸疲勞強度極限僅相差1.02 MPa。但PEEK齒輪在不同可靠度下的接觸疲勞S-N曲線均在POM齒輪的S-N曲線之上,這表明油潤滑下當齒面接觸應力相同時,與POM齒輪相比,PEEK齒輪的疲勞壽命更長。

圖10 油潤滑下PEEK齒輪的接觸疲勞P-S-N曲線Fig.10 Contact fatigue P-S-N curve of PEEK gear under oil lubrication

油潤滑下POM齒輪和PEEK齒輪在不同可靠度下接觸疲勞強度極限所對應的當量載荷TC如表3所示。50%可靠度下,PEEK齒輪的接觸疲勞強度極限所對應的當量載荷為2.82 N·m/mm,POM齒輪的TC為2.15 N·m/mm,在90%和99%可靠度下,PEEK齒輪的當量載荷均大于POM齒輪的當量載荷,說明油潤滑下PEEK齒輪的齒面承載能力高于POM齒輪的齒面承載能力。

表3 油潤滑下POM齒輪和PEEK齒輪的當量載荷TCTab.3 Equivalent load TC of POM gear and PEEK gear under oil lubrication

3.3 聚合物齒輪齒面承載能力

為闡述基于標稱齒輪當量載荷的聚合物齒輪齒面承載能力評價方法的適用性,進一步結合其他模數POM和PEEK齒輪的接觸疲勞試驗數據開展相關討論。

在圖7和圖10中可以發現,不同潤滑方式和不同聚合物材料下,可靠度越高,齒輪接觸疲勞強度極限差距越小,說明高可靠度下POM齒輪的接觸疲勞S-N曲線會縮小由不同潤滑方式造成的齒輪壽命變化差異,因此在進行聚合物齒輪當量載荷計算時應采用50%可靠度下的接觸疲勞強度極限。圖11為50%可靠度下POM和PEEK齒輪接觸疲勞S-N曲線,由于模數不同,相同材料和潤滑方式下POM和PEEK齒輪的接觸疲勞S-N曲線會存在差異,但該差異并不影響不同聚合物齒輪材料和潤滑方式下的齒面承載能力對比。當齒輪的疲勞壽命不超過2×107時,PEEK齒輪的S-N曲線均位于POM齒輪的S-N曲線上方,在相同疲勞壽命下,PEEK齒輪可以承受更高的齒面接觸應力,表明PEEK齒輪在油潤滑下的齒面承載能力高于POM齒輪在油潤滑下的齒面承載能力。圖11中同時對比了POM齒輪分別在油潤滑(圖中用O表示)和脂潤滑(圖中用G表示)方式下的疲勞性能,在相同接觸應力下,油潤滑下POM齒輪具有更長的疲勞壽命,油潤滑條件減少了齒輪副之間摩擦,穩定了齒輪副的齒體運行溫度,進而提高了齒輪的服役壽命和齒面承載能力。

圖11 POM與PEEK齒輪的50%可靠度接觸疲勞S-N曲線Fig.11 50% reliability contact fatigue S-N curve of POM and PEEK gear

根據所開展的POM、PEEK在油潤滑和脂潤滑下的試驗數據和聚合物齒輪標準VDI2736中聚酰胺(PA66)齒輪的疲勞極限數據[17]獲得了三種聚合物齒輪在不同潤滑方式下的當量載荷TC,如圖12所示。試驗所得油潤滑(O)下PEEK齒輪的當量載荷TC為2.82 N·m/mm,油潤滑下POM齒輪和PA66齒輪的TC分別為2.15 N·m/mm和2.21 N·m/mm,說明油潤滑下PEEK齒輪的齒面承載能力高于POM齒輪和PA66齒輪的齒面承載能力。脂潤滑(G)下POM齒輪的TC為1.64 N·m/mm,脂潤滑下PA66齒輪的TC為1.86 N·m/mm,發現與脂潤滑方式相比,油潤滑下POM齒輪和PA66齒輪的TC均更高,說明油潤滑下聚合物齒輪的齒面承載能力高于脂潤滑下聚合物齒輪的齒面承載能力。

圖12 不同潤滑方式POM、PEEK和PA66齒輪的齒面承載能力Fig.12 Tooth surface bearing capacity of POM, PEEK and PA66 gears with different lubrication methods

本文根據提出的聚合物齒輪當量載荷TC對聚合物齒輪的齒面承載能力進行評價,當量載荷TC能對不同聚合物齒輪材料和潤滑方式下齒輪齒面承載能力進行統一對比分析,彌補了聚合物齒輪通過接觸疲勞S-N曲線和T-N曲線反映齒輪齒面承載能力的缺點。然而由于聚合物齒輪模數不同,導致相同工況下齒輪的當量載荷TC存在較小差異,同時相同聚合物齒輪和工況下不同研究人員的試驗結果差異也會影響齒輪當量載荷的大小,如圖10中FZG油潤滑下PEEK齒輪的當量載荷TC略大于本文PEEK齒輪的TC值試驗結果。雖然聚合物齒輪模數和試驗結果差異等會導致齒輪當量載荷出現偏差,但本文的研究結果表明該偏差并不會對不同聚合物材料和潤滑方式下齒輪的齒面承載能力評價產生較大影響。

4 結論

針對聚合物齒輪材料、服役環境、工況載荷等多因素對齒輪失效形式和齒面承載能力的影響難以進行系統可靠評價的問題,提出了通過聚合物齒輪當量載荷TC評價齒輪齒面承載能力的方法,開展了包含POM和PEEK材料以及油潤滑和脂潤滑方式下的齒輪耐久試驗,辨識了聚合物齒輪的失效形式和齒面承載能力,建成了包含齒形精度、齒面粗糙度、疲勞壽命、強度極限、失效圖譜等信息的高承載聚合物齒輪基礎數據庫。得到主要結論如下:

(1)提出了基于標稱齒輪當量載荷的聚合物齒輪齒面承載能力評價方法,可以實現不同聚合物材料和潤滑方式等多因素影響下聚合物齒輪齒面承載能力的統一對比,通過169組聚合物齒輪耐久試驗分析發現,油潤滑下典型聚合物齒輪的標稱齒輪當量載荷TC的范圍為1.64～3.26 N·m/mm。

(2)根據所提齒輪當量載荷的概念,對比了油潤滑和脂潤滑下POM齒輪和PA66齒輪的齒面承載能力,脂潤滑下POM齒輪和PA66齒輪的TC分別為1.64 N·m/mm和1.86 N·m/mm,油潤滑下POM齒輪和PA66齒輪的TC分別為2.15 N·m/mm和2.21 N·m/mm,表明與脂潤滑方式相比,油潤滑下聚合物齒輪的齒面承載能力更高。

(3)常溫油潤滑下POM、PA66和PEEK齒輪的標稱齒輪當量載荷TC分別為2.15 N·m/mm、2.21 N·m/mm和2.82 N·m/mm,PEEK齒輪的TC值比POM和PA66齒輪的TC值分別大約31%和27%,表明常溫油潤滑下PEEK齒輪具有更高的齒面承載能力。