運行溫度對鋼-POM齒輪副熱彈流潤滑性能的影響

摘要：【目的】溫度影響聚合物齒輪的彈性模量，繼而會影響齒輪彈流性能。因此，有必要研究溫度對聚合物齒輪潤滑性能的影響。【方法】考慮聚甲醛（Polyformaldehyde， POM）齒輪的彈性模量隨溫度的變化，建立了鋼-POM齒輪副的熱彈流潤滑模型；使用多重網格技術和逐列掃描技術，研究并討論了不同運行溫度下鋼-POM齒輪副的熱彈流潤滑性能。【結果】結果表明，鋼-POM齒輪副的摩擦因數在節點之前下降，節點之后上升；鋼-POM齒輪副的油膜最大溫度靠近聚合物齒輪；入口區黏度對油膜厚度影響較大，彈性模量是影響油膜壓力的主要因素；油膜溫度受環境黏度影響較大，彈性模量引起的油膜壓力變化影響較小；隨著運行溫度的升高，摩擦因數減小。

關鍵詞：彈流潤滑；聚甲醛齒輪；運行溫度；彈性模量；環境黏度

中圖分類號：TH117. 2 DOI： 10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 002

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工程聚合物是一種綜合性能優良的合成塑料，可在苛刻環境下長期使用。聚合物齒輪與金屬齒輪相比，具有噪聲低、質量輕、自潤滑、耐腐蝕、耐磨損等優點[1]175[2]。轉矩、速度和溫度對聚合物齒輪的性能有重要的影響[3]。

對于聚合物齒輪在干接觸下的使用性能，MAO等[4] 通過對聚甲醛（Polyformaldehyde， POM）齒輪和PA66齒輪在干接觸下的磨損率比較，發現磨損率取決于高載荷下的表面溫度。KALIN等[5]在不同環境溫度下進行了鋼-POM齒輪副干接觸狀態下的疲勞磨損試驗，指出溫度升高會使聚合物齒輪疲勞壽命下降。SINGH等[6]對聚合物齒輪在不同載荷和轉速下的熱磨損行為進行了研究，發現在干摩擦下，載荷對齒輪表面溫度的影響大于轉速的影響。

對于聚合物齒輪在潤滑條件下的服役性能，ZORKO 等[7]通過試驗發現，潤滑脂降低了鋼-PEEK齒輪的磨損率和摩擦因數，并使齒輪使用壽命有了明顯的提升。HASL等[8]發現，在油潤滑下，POM齒輪傳遞的功率高達30 kW，可滿足小型城市車輛的功率要求。盧澤華等[9]比較了不同潤滑條件下POM齒輪運行溫度的變化，指出潤滑油可以顯著降低POM齒輪運行溫度。

對于齒輪的熱彈流潤滑分析，王優強等[10]10-15采用多重網格法得到了齒輪的瞬態熱彈流潤滑的完全數值解，發現輪齒間油膜溫升受滑滾比影響較大。張文英等[11]得到了鋼制直齒圓柱齒輪瞬態非牛頓熱彈流潤滑數值解，發現節點附近的油膜壓力、齒面摩擦因數和油膜溫升最高。左名玉等[12]81-88在油潤滑下對非對稱梯度功能材料聚合物齒輪的熱彈流潤滑問題進行了數值模擬，發現采用梯度功能材料制作從動輪可降低齒輪嚙入時的潤滑油膜溫度，與作為主動輪材料相比，用作從動輪材料時潤滑性能更好。付小芯等[13]對改性聚醚醚酮齒輪副在水潤滑條件下的瞬態熱彈流潤滑機制進行了數值模擬，并將數值結果與等溫解進行了比較，發現等溫解在嚙入點一側的膜厚預估過大。

溫度影響POM材料的彈性模量。LU等[14]在考慮聚合物齒輪彈性模量隨溫度變化的基礎上，研究POM-POM齒輪副在干摩擦條件下的疲勞壽命，發現盡管齒輪接觸壓力隨溫度升高顯著降低，但齒輪疲勞壽命并未得到改善。余國達等[15]6-15[16]、劉明勇等[17]考慮POM齒輪的溫度-模量效應，建立了POM-POM齒輪副有限元模型，獲得了干摩擦和潤滑條件下的齒輪穩態嚙合溫度仿真解，其與試驗結果能較好地吻合；其中，POM主動輪穩態嚙合溫度在齒根附近區域最高，且隨轉矩、轉速增大不斷上升。

綜上可知，聚合物齒輪具有自潤滑能力[1]175；表面溫度對齒輪失效風險和使用壽命有極為重要的影響；潤滑可以降低聚合物齒輪表面溫度，延長使用壽命。目前，對干接觸條件下聚合物齒輪的熱力學行為和潤滑條件下服役性能的研究較多；與鋼制齒輪副不同，鋼-POM齒輪副的熱彈流潤滑性能尚不明晰，且大多數關于聚合物齒輪彈流潤滑的研究均未考慮彈性模量隨溫度的變化。溫度影響聚合物齒輪的彈性模量，彈性模量變化會影響接觸區變形、溫度分布等因素，繼而會對齒輪彈流潤滑性能產生影響。為研究POM齒輪的彈流潤滑性能，考慮材料的溫度-彈性模量效應是非常必要的。

本文考慮了POM齒輪的彈性模量隨溫度的變化，建立了鋼-POM齒輪副熱彈流潤滑模型，討論不同運行溫度下鋼-POM齒輪副的熱彈流潤滑性能，以期對POM齒輪的使用性能提供基礎數據。