塑料齿轮NVH性能的实验研究
高性能塑料齿轮因重量轻、润滑少、成本低、NVH性能优等优势渐替金属齿轮。本研究提出了一种实验方法，用于在应用运行条件下表征塑料齿轮的NVH性能，并提供了基于齿轮最佳NVH性能的材料选择指南。
一、塑料齿轮的广大使用场景及局限
高性能塑料齿轮凭借诸多优势，正日益在众多应用中取代金属齿轮。其中最重要的优势包括重量更轻、润滑需求大幅降低、批量生产成本更具效益、NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能显著更优以及耐化学性。大多数塑料齿轮通过注塑成型生产，这使其具备极大的设计灵活性，例如可将多个机械元件整合为一个模塑部件，同时还能对齿轮几何结构进行修改，如增大齿根圆角或改变齿廓形状（参考文献1）。
当然，与金属齿轮相比，塑料齿轮也存在一些缺点。最显著的是承载能力较低、导热性较差、机械性能易受温度变化影响以及可达到的制造精度较低。承载能力是最重要的性能指标；已有多项研究探索了改善其承载能力的方法，要么通过特殊的齿轮设计（参考文献2），要么通过改进材料（参考文献3）。
随着客户需求的不断提高，聚合物齿轮的NVH性能也日益受到重视。Hoskins等人开展了早期关于聚合物齿轮声学性能的研究（参考文献4），研究人员考察了聚合物齿轮所用的不同材料以及不同运行环境对声频谱的影响。齿面间相互作用产生的表面纹理、磨损和温度等参数被认为是影响声能强度的因素。
Trobentar等人（参考文献5）比较了不同齿廓（即渐开线齿廓和S形齿廓）聚合物齿轮的声学性能。S形齿轮的齿廓具有凸齿顶和凹齿根，这使其接触路径呈逐渐弯曲的“S”形。作者发现，由于接触条件更优，S形齿轮的噪声低于渐开线齿轮——Polanec等人（参考文献6）研究了涂层聚甲醛（POM）聚合物齿轮的噪声。研究考察了三种物理气相沉积（PVD）涂层，即铝涂层、铬涂层和亚硝酸铬涂层。研究表明，未涂层的聚合物齿轮声压级最低；因此，未能证实涂层对降低噪声有积极影响。此外，涂层在运行过程中会开始剥落，导致摩擦增大和啮合干扰，进而使声压级升高。
van Wissen等人的研究（参考文献7）探讨了聚酰胺（PA）46齿轮的NVH性能。作者研究了一对均由PA46制成的齿轮的噪声特性，并将结果与PA46齿轮与钢齿轮啮合的情况进行了比较。测试在三种不同转速（从200转/分到800转/分）和三种不同扭矩（从0.2牛·米到1牛·米）下进行。结果显示，随着转速升高，噪声急剧增加。扭矩增大时也观察到了类似的现象。Cathelin对塑料齿轮的NVH进行了系统性研究（参考文献8）。该研究揭示了塑料齿轮NVH的复杂特性，其在很大程度上取决于运行条件。研究中测试了多种未增强的材料牌号，但测试的齿轮对始终由相同材料制成。研究还将其与在相同条件下测试的钢齿轮对进行了比较，凸显出塑料齿轮相较于钢齿轮更优异的NVH性能。
二、塑料齿轮NVH的实验方法
本研究提出了一种实验方法，用于在类应用运行条件下表征塑料齿轮的NVH性能，并提供了基于齿轮最佳NVH性能的材料选择指南。研究采用了五种不同的塑料材料组合，包括未增强和纤维增强的材料；但在测试中，始终采用不同的材料组合。将所评估的噪声和振动与基准钢齿轮对进行了比较。
2.1）齿轮样品制备
测试齿轮的几何结构根据德国工程师协会标准（VDI）2736第4部分表1（参考文献1）确定。塑料齿轮按照VDI 2736中的“1号尺寸齿轮几何结构”进行生产和测试。齿轮的几何参数如表1所示。齿轮通过单型腔注塑模具注塑成型。使用恩格尔Victory 50（奥地利恩格尔奥地利有限公司）注塑机进行成型。模具采用热流道系统和直径为1.3毫米的中心针点浇口。齿轮本体设计为波浪形结构，厚度均匀为2.5毫米（图1）。齿轮本体与轮齿的过渡处设计有对称凹槽，以实现轮齿的对称填充。生产齿轮所使用的7种商用塑料化合物，均为齿轮应用中常用的材料。模具设计为可更换型腔，因此使用了多个不同的型腔进行成型，以补偿测试材料的不同收缩率。其目的是使所有齿轮的质量处于同一水平，以排除齿轮质量对NVH性能的影响。所用材料牌号的基本成分如下：
1、聚甲醛（均聚物）——POM
2、聚酰胺66——PA66
3、聚酰胺6+15%玻璃纤维——PA6+15%GF
4、聚邻苯二甲酰胺+30%玻璃纤维——PPA+30%GF
5、聚酰胺66+30%玻璃纤维——PA66+30%GF
6、聚甲醛+10%芳纶纤维——POM+10%AF
作为比较基准，还生产了三组钢齿轮（热处理42CrMo4钢）。
表1——测试齿轮的几何参数
图1——测试齿轮样品
2.2）齿轮质量检测
每种材料的三个齿轮在蔡司三坐标测量机上进行几何质量测量，使用蔡司VAST XXT扫描传感器（图2）。测量的齿轮参数包括齿廓、齿向、齿距和径向跳动，这些参数根据国际标准化组织（ISO）1328（参考文献9）齿轮质量检测标准进行表征。所评估的参数及相关质量等级汇总于表2。基于评估的质量等级（所有七种材料的质量等级处于相当水平），可以得出结论：齿轮的质量等级对测试过程中齿轮对的NVH响应没有显著影响。
图2——几何质量检测中的样品齿轮