潤滑和載荷狀態對聚甲醛齒輪服役性能的影響

盧澤華 劉懷舉 朱才朝 余國達 鐘兵兵

重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400044

0 引言

塑料齒輪在運動傳遞領域的應用已有近80 年的歷史，廣泛應用在各種高速輕載領域。隨著塑料材料及其成形工藝迅猛發展，工業領域對傳動件輕量化、低噪聲、低成本的要求節節攀升，塑料齒輪目前越來越多地替代金屬齒輪應用在智能機器人、洗衣機等對動力傳遞有一定要求的場合。智能家電、智能醫療、5G通信等新興領域蓬勃發展，也不斷驅使著塑料齒輪向高承載能力、高可靠性、低噪聲發展。然而，塑料材料受溫度影響大，溫度升高會顯著降低其力學性能，制約其承載能力的進一步提高，因此，探索塑料齒輪傳動能力提升技術，挖掘其承載潛力是一項富有挑戰意義的工作。

塑料齒輪常用的材料有聚甲醛(POM)、尼龍 66(PA66)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)等，其中POM齒輪和PA66齒輪在工業領域應用最為廣泛，也是塑料齒輪研究領域的主要研究對象。MAO等[1]針對POM齒輪和PA66齒輪干接觸下的磨損率開展了研究，發現運行溫度是影響塑料齒輪服役性能的首要因素。HOOKE等[2]在研究POM、PA66和玻纖強化PA66齒輪干接觸磨損率的基礎上，提出了塑料齒輪齒面閃溫經驗公式。MAO等[3-4]提出了計算塑料齒輪齒面溫度和磨損率的數值模型和理論模型。LETZELTER等[5]采用熱成像儀記錄了PA66齒輪動態溫度場，并將試驗溫度值與黏彈性數值仿真結果進行了對比，發現工況環境的劣化會導致傳遞誤差下降和承載能力降低。LINDHOLM等[6]采用數值分析方法對PEEK齒輪的接觸界面應力和摩擦熱進行了計算。EVANS等[7]建立了干接觸狀態下鋼-塑料銷盤試驗溫度與鋼-塑料齒輪副瞬態溫度間的關系，并通過數值仿真證實了這種方法的合理性。KALIN等[8]繪制了不同環境溫度干接觸狀態下鋼-POM齒輪副疲勞壽命曲線(S-N曲線)，指出溫度升高會使得塑料齒輪疲勞強度下降。FERNANDES等[9]建立了齒輪熱仿真分析模型，根據潤滑狀態和負載情況該模型可以較為精確地預測塑料齒輪運行溫度場。CERNE等[10]提出了塑料齒輪閃溫半解析預測模型，并采用熱力耦合數值分析方法計算了塑料齒輪接觸界面力學行為，進而通過解析法得到了溫度場分布。RODA-CASANOVA等[11]提出了一種直齒塑料齒輪溫度場預估方法，通過齒面動態接觸分析確定了熱通量傳遞函數。王振等[12]系統研究了嚙合傳動過程中輪齒瞬時接觸溫度場和應力的分析模擬方法，發現初始環境溫度的升高對嚙合時的溫度場、應力都有較大影響。

由于塑料齒輪具有自潤滑能力，因此大量研究探討了干接觸條件下塑料齒輪熱力學行為，而對潤滑狀態下塑料齒輪服役性能研究較少。潤滑劑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，提高塑料齒輪承載能力，因此目前在工程中，脂潤滑是塑料齒輪的主要潤滑方式。但是干接觸和脂潤滑條件下傳熱效率低，加之塑料本身熱導率小，嚙合過程中齒面熱量大量積累使得在連續運轉期間熱失效風險急劇上升。為了進一步提高塑料齒輪承載能力，研究人員開始嘗試在重載動力傳遞過程中使用油潤滑。WOOD等[13]通過試驗發現，相比干接觸和脂潤滑，油潤滑鋼-PEEK齒輪的承載能力和傳遞精度都有了明顯提升。DEARN等[14]通過數值分析發現油潤滑塑料齒輪選用30°壓力角具有更高的承載能力。LU等[15]通過耐久試驗確定了油潤滑PEEK齒輪的失效模式，輕載時發生齒面點蝕失效，而重載下失效形式為點蝕誘發的輪齒折斷。在塑料齒輪承載能力的諸多研究中，值得注意的是，德國慕尼黑工業大學齒輪研究中心HASL等[16]測試了注塑POM齒輪油潤滑條件下的承載能力，其連續傳遞功率可以提高到30 kW，滿足了小型城市車輛的功率要求。

筆者基于功率開放式齒輪運轉試驗臺，開展了干接觸/油潤滑條件下主從動輪均為POM齒輪(簡稱“POM-POM齒輪副”)的服役性能試驗，并記錄了服役過程中塑料齒輪的運行溫度、齒廓精度、磨損量和微觀齒面形貌。

1 服役性能試驗方法

1.1 試驗齒輪參數

試驗齒輪材料選擇均聚POM(Duracon，M90-44)，根據產品公司提供的參數，其力學性能如表1所示[17]。

表1 POM試驗齒輪材料性能參數Tab.1 The material property parameters of POM tested gears

為避免注塑成形缺陷影響試驗結果[17]，試驗齒輪采用機加工滾齒成形，滾刀精度等級為DIN 3968 AA級。根據GB10095—88 漸開線圓柱齒輪精度標準，POM試驗齒輪平均精度等級為8級，試驗潤滑油選擇MOBILGEAR 600 XP 100，黏度等級為ISO-VG100。POM-POM齒輪副幾何參數見表2。

表2 POM-POM齒輪副幾何參數Tab.2 The geometric parameters of POM-POM gear pairs

1.2 試驗臺性能

本試驗中，試驗臺架選擇功率開放式齒輪試驗臺，由2個主軸箱、驅動馬達、導軌和監測系統組成，見圖1。1號主軸箱可沿導軌移動以調整齒輪中心距，精度可達0.001 mm，同時，試驗環境溫度控制在22±2 ℃。

圖1 功率開放式齒輪耐久性能試驗臺架Fig.1 The power-opened gear durability test rig

1.3 試驗流程

干接觸條件下試驗載荷分別為5，13，20 N·m，而油潤滑條件下試驗載荷分別為20，27，34 N·m。干接觸條件下和油潤滑條件下載荷不同的原因是，干接觸條件下試驗載荷為27 N·m時，POM齒輪連續運轉壽命不到104，而油潤滑條件下試驗載荷為34 N·m時POM齒輪壽命超過108。試驗采用噴油潤滑，噴油量為1 L/min，以連續供油方式直接對嚙合區域進行潤滑。為了研究POM齒輪齒面形貌演化，當循環次數分別達到2.0×105、6.0×105、8.0×105、1.0×106、1.4×106、1.8×106、2.0×106、2.5×106和3.0×106時，需停機將POM齒輪副拆卸下來進行齒廓精度、齒面形貌、磨損量和粗糙度的檢測。一旦齒廓偏移量大于0.5 mm，或者試驗次數超過了3×106，即停止試驗。

圖2為試驗測試流程圖。每隔104次循環就選用紅外熱成像儀記錄輪齒溫度一次，成像儀精度為±2 ℃。POM齒輪精度檢測設備選用萬能齒輪精度測量儀，而POM齒輪磨損量測量采用精度為0.001 g的電子天平，利用稱重法求得磨損量。利用白光干涉儀和超景深顯微鏡進行齒廓形貌觀察，并用掃描電鏡檢測齒輪磨屑以確定具體的磨損模式。

圖2 試驗流程Fig.2 The test procedure

2 試驗結果與分析

潤滑油帶走了塑料齒輪嚙合過程中產生的熱量，并通過在齒面形成油膜減少了齒面摩擦與表面能量，提高了POM齒輪的承載能力。本節記錄了試驗過程中運行溫度、齒廓精度、磨損演化和齒面形貌，闡述了潤滑和載荷對POM齒輪承載能力和服役性能的影響。

2.1 不同潤滑條件下的運行溫度

圖3為輸出載荷20 N·m、循環4×105次后POM齒輪的熱成像圖。干接觸條件下POM齒輪最高齒溫出現在嚙合區，高達96.9 ℃，POM齒輪本身積累了嚙合過程中產生的大量熱量，環境溫度與室溫接近，主要傳熱方式為熱對流和熱輻射。而油潤滑條件下POM齒輪齒面溫度最大值僅為37.4 ℃，潤滑油溫度低于輪齒溫度，并形成一條寬度約為4 mm潤滑油帶。四處飛濺的油液使得周圍溫度高于環境問題，油潤滑條件下POM齒輪主要傳熱方式為齒輪與潤滑油之間的熱傳導。

(a)干接觸條件下POM齒輪溫度場

圖4所示為不同潤滑條件下POM齒輪運行溫度演化進程。油潤滑條件下POM齒輪輸出轉矩近乎是干接觸條件下POM齒輪輸出轉矩的7倍，但全周期內干接觸條件下POM齒輪的最低運行溫度顯著高于油潤滑條件下POM齒輪的最低運行溫度。隨著循環次數的增加，干接觸條件下POM齒輪磨損嚴重，初始漸開線齒形完全喪失，不同階段溫度波動極為劇烈。循環次數為2.0×106時，干接觸條件下POM齒輪溫度高達73.5 ℃，而全周期內最低運行溫度為40.3 ℃，溫度波動幅值為33.2 ℃。熱載荷劇烈變化，使得干接觸條件下POM齒輪服役條件在承受恒定負載同時，還受到熱載荷隨機波動的影響，其服役環境相比油潤滑更為復雜。干接觸2.0×106次后溫度下降的原因可能是，運轉過程中節線處滑移相比其他區域滑移小，使得節線區域材料去除少。而油潤滑條件下POM齒輪運行溫度較為穩定，溫度波動幅值僅為6.2 ℃。

(a)干接觸條件下POM齒輪溫度演化進程

圖5所示為循環4×105次時不同潤滑條件下POM齒輪的運行溫度。由于干接觸條件下輸出轉矩為27 N·m時POM齒輪運行溫度已超出POM材料長期服役溫度100 ℃，其服役壽命僅為9.8×104，因此圖5中干接觸條件下輸出轉矩為27 N·m時，POM齒輪的運行溫度值取循環5×104時的溫度值。顯然，干接觸條件下POM齒輪運行溫度遠大于油潤滑條件下POM齒輪運行溫度。干接觸條件下POM齒輪運行溫度隨載荷增大而直線升高，當輸出轉矩為5 N·m時，運行溫度為48.6 ℃，當輸出轉矩增加到27 N·m時運行溫度升高到124.8 ℃。而油潤滑條件下，POM齒輪最高運行溫度一直低于45 ℃，當輸出轉矩為27 N·m時，運行溫度為35.4 ℃，約為相同載荷下干接觸齒輪運行溫度的1/3。潤滑油顯著改善了POM齒輪的服役條件，循環油液降低了POM齒輪運行溫度，減少了齒輪摩擦，從而延長了POM齒輪服役壽命，使得其承載能力遠高于干接觸條件下POM齒輪的承載能力，但隨著輸出轉矩的增大，齒輪溫度仍呈上升趨勢。

圖5 不同載荷下POM齒輪的最大運行溫度Fig.5 Maximum operating temperature of POM gears

2.2 精度與磨損演化

理論齒輪與磨損齒廓之間的偏差被定義為齒廓偏差，可通過萬能齒輪精度測量儀檢測。根據標準GB/T 10095—2001，齒輪精度可分為三組檢測項目，現選取第一組檢測項目中的齒廓積累總偏差Fp、第二組檢測項目中的齒廓總偏差Fα和第三組檢測項目中的螺旋線總偏差Fβ表征POM齒輪精度退化情況。齒輪精度與輪齒磨損相互影響，齒廓磨損使得齒輪齒廓精度下降、傳遞誤差增大，精度下降帶來的振動、沖擊、滑動等因素又會加劇齒面的磨損。圖6a所示為POM主動輪精度檢測區域，圖6b為不同潤滑條件下循環3×106次后POM主動輪齒廓曲線。

圖6 POM齒輪齒廓測量Fig.6 Tooth profile measurement of POM gears

為了探討齒廓總偏移量與磨損量之間的映射關系，采用稱重法測試了POM齒輪運行過程中的磨損增量。圖7所示為干接觸條件下輸出轉矩為5 N·m時，POM主動輪磨損增量與齒廓總偏差Fα增量的對比。雖然試驗結果中出現了一些散點，但仍然可以清楚地看到，磨損增量的變化與齒形偏差的變化密切相關，POM齒輪齒廓總偏移量可用來衡量POM齒輪的磨損增量。循環次數為2.5×106時，POM齒輪磨損增量增加到22.5 mg/104，齒廓總偏移量也達到最大值3.2 μm/104，當磨損增量減小時，齒廓總偏移量也隨之減小。因此，齒廓總偏差Fα可作為一個磨損指標來反映POM齒輪磨損情況。

圖7 干接觸條件下輸出轉矩為5 N·m時的POM齒輪磨損增量與齒廓總偏移量增量對比Fig.7 Comparison of wear increment and tooth profile offset of the POM gear under dry contact condition

循環次數越大，POM主動輪精度退化程度越嚴重，但不同檢測項目的精度退化程度有所不同。圖8所示為不同潤滑條件下POM齒輪各精度退化情況對比。在三組齒輪精度檢測項目中，齒廓總偏差Fα增大幅度明顯。當循環3×106次后，輸出轉矩為5 N·m時干接觸條件下的POM齒輪齒廓總偏差Fα從初始36.3 μm增大到173 μm，是初始值的4.75 倍，而螺旋線總偏差Fβ和齒廓積累總偏差Fp分別從16.7 μm、40.7 μm增大到38.7 μm、176 μm。相比干接觸，輸出轉矩為34 N·m條件下油潤滑POM齒輪齒廓總偏差Fα幾乎沒有變化，從初始68.5 μm增大到79.6 μm。

(a)干接觸條件下POM齒輪精度演化進程

圖9所示為不同載荷下干接觸/油潤滑POM齒輪齒廓總偏差Fα的退化過程。干接觸條件下輸出扭矩為5 N·m時，POM齒輪齒廓總偏差Fα變化率隨循環次數的增加而緩慢增大，循環達2×106時激增，在循環2.5×106次后又恢復平穩。經分析可知，干接觸條件下POM齒輪經磨合達到較穩定狀態后，由于齒形出現較大的磨損，接觸界面粗糙度逐漸增大，使得原有穩定狀態被打破，齒輪運行溫度和磨損率升高，之后再次達到穩定狀態。輸出扭矩增大到13 N·m后，POM主動輪齒廓總偏差Fα急劇增大到407 μm達到穩定狀態，載荷的增加使得干接觸條件下POM齒輪在磨合階段的磨損率增大。當輸出載荷增大到20 N·m時，干接觸條件下POM齒輪服役條件急劇惡化，導致齒輪完全失效。由于潤滑油減摩冷卻作用，油潤滑條件下POM齒輪齒廓總偏差Fα增大緩慢。輸出扭矩為34 N·m時，POM主動輪Fα經過3×106次循環后僅從初始79 μm增大到了108 μm。對比主動輪和從動輪的齒廓精度可見，干接觸條件下主動輪的齒廓總偏差大于從動輪的齒廓總偏差，且約為從動輪偏移量的1.5倍，與齒輪副傳動比相同。

(a)POM主動輪Fα平均值演化進程(n=1000 r/min)

2.3 微觀形貌演化與磨損形式

圖10為采用白光干涉儀檢測齒面微觀形貌的區域示意圖，測量區域位于齒頂與節線之間1 mm ×1 mm的正方形區域。初始齒廓表面算術平均高度Sa為1.452 μm，圖形清晰地展現了平行于齒寬方向的切削痕。

圖10 齒廓微觀形貌檢測Fig.10 Detection of tooth microtopography

隨著循環次數的增加，切削痕逐漸替代為齒面滑滾運動帶來的溝壑。圖11所示為POM主動輪齒面微觀形貌和表面算術平均高度Sa的演化過程。干接觸條件下輸出載荷為5 N·m時的POM齒輪初始齒廓Sa為1.75 μm，磨合結束后切削痕完全消失，Sa增大到2.89 μm。穩定階段齒面逐漸出現沿齒廓滑移方向的溝壑，Sa保持在3.45 μm左右，繼而穩定狀態被打破，齒面溝壑明顯加深，Sa增大到6.41 μm，與圖9中POM齒輪齒廓總偏差Fα變化趨勢一致。相比油潤滑條件下輸出載荷為34 N·m時的POM齒輪，循環2×106后，齒面形貌仍然保持較為完整，僅略帶有一些淺的溝壑，Sa增長緩慢，說明潤滑油有效減緩了齒面劣化程度。

(a)干接觸條件下輸出載荷為5 N·m時的POM齒輪齒面微觀形貌演化

圖12所示為不同潤滑狀態下POM齒輪齒面形貌對比。初始齒面加工切削痕平行于齒廓方向且清晰可見，3×106次循環后干接觸條件下POM齒輪齒面磨損嚴重，齒廓形貌高低不平，出現較多深的溝壑，初始切削痕已被完全破壞。油潤滑條件下POM齒輪齒面出現零星的輕微擦傷，初始切削痕未完全消失，齒面保有部分初始特征。

(a)初始齒廓微觀形貌

圖13所示為干接觸條件下，輸出載荷為5 N·m時的POM主動輪齒面節線附近早期黏著磨損形貌。齒輪節線附近存在較小的相對滑移速度，由于黏著效應，干接觸條件下主從動輪之間的材料發生遷移，造成黏著磨損。由于相同材料摩擦副之間存在較強的黏著傾向，而局部接觸點溫升也使得黏著傾向進一步加大，這些構成了干接觸條件下POM齒輪發生黏著磨損的先決條件。同時，齒輪節線附近載荷較大，材料局部接觸峰點發生彈塑性變形、剪切破壞或材料遷移。

(a)5×105次循環后齒面形貌

圖14所示為干接觸條件下輸出載荷為20 N·m時POM齒輪磨屑微觀特征和循環9.8×104次后圖10所示區域的齒面形貌。通過掃描電鏡觀察POM齒輪磨屑可見，碎片狀磨屑周邊呈不規則帶狀，光學顯微鏡下干接觸條件下輸出載荷為20 N·m時的POM主動輪齒面出現較深的沿滑移方向塑性流動形成的溝壑，即槽狀磨痕。這些典型磨粒磨損特征說明，早期節線附近脫落的顆粒在接觸壓力的作用下沿滑移方向對材料產生了附加切削的作用，使表面剪切、犁皺和切削，形成較深溝槽。

2.4 POM齒輪失效模式

(a)掃描電鏡下POM齒輪磨屑

圖15為不同載荷下POM主動輪齒廓磨損特征曲線。在干接觸條件下，齒面磨損主要出現在齒頂和齒根區域，其中齒根區域的磨損量最大，而節線區域的磨損量最小。由于潤滑油的冷卻減摩作用，油潤滑條件下POM主動輪磨損較小，主要集中在節線與齒根之間的區域。對比輸出轉矩20 N·m、不同潤滑條件下POM齒輪齒廓形貌可以發現，干接觸條件下POM齒輪齒面在循環次數為6×105時已完全消失，而油潤滑條件下循環次數為3×106時，POM齒輪齒面仍較為完整。

(a)干接觸條件下POM主動輪齒形貌對比

圖16所示為不同載荷等級和潤滑狀態下POM齒輪的失效情況。潤滑和載荷對POM齒輪失效形式存在較大影響，干接觸輕載POM齒輪失效形式為過度磨損。隨著載荷的增大，齒輪運行溫度升高，齒輪局部接觸區域出現膠合，當運行溫度超過材料熔點時，POM齒輪輪齒會在極短時間內局部融化[1]。油潤滑條件下POM齒輪齒面磨損小，通過工業CT檢測發現，輪齒節線附近出現點蝕坑，失效形式在當前載荷范圍內表現為點蝕失效。

(a)干接觸下齒面過度磨損

3 結論

本文通過分析干接觸/油潤滑狀態下POM齒輪失效形式、磨損特征和溫度場，確定了POM齒輪的磨損模式和失效形式，證實了油潤滑可顯著提高POM齒輪承載能力，有助于后續針對具體工況開展塑料齒輪服役性能分析。結論總結如下：

(1)隨著載荷的增大，干接觸條件下POM齒輪運行溫度急劇上升，服役期內波動劇烈，而油潤滑條件下POM齒輪運行溫度略有上升。潤滑油的減摩傳熱作用顯著降低了POM齒輪運行溫度。

(2)齒廓總偏差Fα退化現象符合POM齒輪宏觀磨損規律，齒廓總偏差Fα可作為POM齒輪磨損指標。干接觸條件下POM齒輪磨損量遠大于油潤滑條件下POM齒輪磨損量，磨合期內的磨損率隨載荷增大而增大。

(3)載荷和潤滑條件對POM齒輪磨損模式和失效形式影響較大。當潤滑條件為干接觸時，輕載下POM齒輪主要發生磨損失效，磨損模式為黏著磨損和磨粒磨損，重載下會出現輪齒融化，而油潤滑條件下POM齒輪主要發生疲勞失效。