運(yùn)行溫度對(duì)鋼-POM齒輪副熱彈流潤(rùn)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(huì)影響齒輪彈流性能。因此，有必要研究溫度對(duì)聚合物齒輪潤(rùn)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(rùn)滑模型；使用多重網(wǎng)格技術(shù)和逐列掃描技術(shù)，研究并討論了不同運(yùn)行溫度下鋼-POM齒輪副的熱彈流潤(rùn)滑性能?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，鋼-POM齒輪副的摩擦因數(shù)在節(jié)點(diǎn)之前下降，節(jié)點(diǎn)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(qū)黏度對(duì)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(huán)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(yùn)行溫度的升高，摩擦因數(shù)減小。

關(guān)鍵詞：彈流潤(rùn)滑；聚甲醛齒輪；運(yùn)行溫度；彈性模量；環(huán)境黏度

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

0 引言

工程聚合物是一種綜合性能優(yōu)良的合成塑料，可在苛刻環(huán)境下長(zhǎng)期使用。聚合物齒輪與金屬齒輪相比，具有噪聲低、質(zhì)量輕、自潤(rùn)滑、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)[1]175[2]。轉(zhuǎn)矩、速度和溫度對(duì)聚合物齒輪的性能有重要的影響[3]。

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

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

對(duì)于齒輪的熱彈流潤(rùn)滑分析，王優(yōu)強(qiáng)等[10]10-15采用多重網(wǎng)格法得到了齒輪的瞬態(tài)熱彈流潤(rùn)滑的完全數(shù)值解，發(fā)現(xiàn)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(tài)非牛頓熱彈流潤(rùn)滑數(shù)值解，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)附近的油膜壓力、齒面摩擦因數(shù)和油膜溫升最高。左名玉等[12]81-88在油潤(rùn)滑下對(duì)非對(duì)稱梯度功能材料聚合物齒輪的熱彈流潤(rùn)滑問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)采用梯度功能材料制作從動(dòng)輪可降低齒輪嚙入時(shí)的潤(rùn)滑油膜溫度，與作為主動(dòng)輪材料相比，用作從動(dòng)輪材料時(shí)潤(rùn)滑性能更好。付小芯等[13]對(duì)改性聚醚醚酮齒輪副在水潤(rùn)滑條件下的瞬態(tài)熱彈流潤(rùn)滑機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將數(shù)值結(jié)果與等溫解進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)等溫解在嚙入點(diǎn)一側(cè)的膜厚預(yù)估過(guò)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(chǔ)上，研究POM-POM齒輪副在干摩擦條件下的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)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(guó)達(dá)等[15]6-15[16]、劉明勇等[17]考慮POM齒輪的溫度-模量效應(yīng)，建立了POM-POM齒輪副有限元模型，獲得了干摩擦和潤(rùn)滑條件下的齒輪穩(wěn)態(tài)嚙合溫度仿真解，其與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合；其中，POM主動(dòng)輪穩(wěn)態(tài)嚙合溫度在齒根附近區(qū)域最高，且隨轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速增大不斷上升。

綜上可知，聚合物齒輪具有自潤(rùn)滑能力[1]175；表面溫度對(duì)齒輪失效風(fēng)險(xiǎn)和使用壽命有極為重要的影響；潤(rùn)滑可以降低聚合物齒輪表面溫度，延長(zhǎng)使用壽命。目前，對(duì)干接觸條件下聚合物齒輪的熱力學(xué)行為和潤(rùn)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(rùn)滑性能尚不明晰，且大多數(shù)關(guān)于聚合物齒輪彈流潤(rùn)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(huì)影響接觸區(qū)變形、溫度分布等因素，繼而會(huì)對(duì)齒輪彈流潤(rùn)滑性能產(chǎn)生影響。為研究POM齒輪的彈流潤(rùn)滑性能，考慮材料的溫度-彈性模量效應(yīng)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(rùn)滑模型，討論不同運(yùn)行溫度下鋼-POM齒輪副的熱彈流潤(rùn)滑性能，以期對(duì)POM齒輪的使用性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。