盧澤華 劉懷舉 朱才朝 余國達(dá) 鐘兵兵

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044

0 引言

塑料齒輪在運(yùn)動(dòng)傳遞領(lǐng)域的應(yīng)用已有近80 年的歷史，廣泛應(yīng)用在各種高速輕載領(lǐng)域。隨著塑料材料及其成形工藝迅猛發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)鲃?dòng)件輕量化、低噪聲、低成本的要求節(jié)節(jié)攀升，塑料齒輪目前越來越多地替代金屬齒輪應(yīng)用在智能機(jī)器人、洗衣機(jī)等對(duì)動(dòng)力傳遞有一定要求的場合。智能家電、智能醫(yī)療、5G通信等新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，也不斷驅(qū)使著塑料齒輪向高承載能力、高可靠性、低噪聲發(fā)展。然而，塑料材料受溫度影響大，溫度升高會(huì)顯著降低其力學(xué)性能，制約其承載能力的進(jìn)一步提高，因此，探索塑料齒輪傳動(dòng)能力提升技術(shù)，挖掘其承載潛力是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)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(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，也是塑料齒輪研究領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。MAO等[1]針對(duì)POM齒輪和PA66齒輪干接觸下的磨損率開展了研究，發(fā)現(xiàn)運(yùn)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(qiáng)化PA66齒輪干接觸磨損率的基礎(chǔ)上，提出了塑料齒輪齒面閃溫經(jīng)驗(yàn)公式。MAO等[3-4]提出了計(jì)算塑料齒輪齒面溫度和磨損率的數(shù)值模型和理論模型。LETZELTER等[5]采用熱成像儀記錄了PA66齒輪動(dòng)態(tài)溫度場，并將試驗(yàn)溫度值與黏彈性數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)工況環(huán)境的劣化會(huì)導(dǎo)致傳遞誤差下降和承載能力降低。LINDHOLM等[6]采用數(shù)值分析方法對(duì)PEEK齒輪的接觸界面應(yīng)力和摩擦熱進(jìn)行了計(jì)算。EVANS等[7]建立了干接觸狀態(tài)下鋼-塑料銷盤試驗(yàn)溫度與鋼-塑料齒輪副瞬態(tài)溫度間的關(guān)系，并通過數(shù)值仿真證實(shí)了這種方法的合理性。KALIN等[8]繪制了不同環(huán)境溫度干接觸狀態(tài)下鋼-POM齒輪副疲勞壽命曲線(S-N曲線)，指出溫度升高會(huì)使得塑料齒輪疲勞強(qiáng)度下降。FERNANDES等[9]建立了齒輪熱仿真分析模型，根據(jù)潤滑狀態(tài)和負(fù)載情況該模型可以較為精確地預(yù)測塑料齒輪運(yùn)行溫度場。CERNE等[10]提出了塑料齒輪閃溫半解析預(yù)測模型，并采用熱力耦合數(shù)值分析方法計(jì)算了塑料齒輪接觸界面力學(xué)行為，進(jìn)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(yù)估方法，通過齒面動(dòng)態(tài)接觸分析確定了熱通量傳遞函數(shù)。王振等[12]系統(tǒng)研究了嚙合傳動(dòng)過程中輪齒瞬時(shí)接觸溫度場和應(yīng)力的分析模擬方法，發(fā)現(xiàn)初始環(huán)境溫度的升高對(duì)嚙合時(shí)的溫度場、應(yīng)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(xué)行為，而對(duì)潤滑狀態(tài)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(yōu)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(dǎo)率小，嚙合過程中齒面熱量大量積累使得在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)期間熱失效風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。為了進(jìn)一步提高塑料齒輪承載能力，研究人員開始嘗試在重載動(dòng)力傳遞過程中使用油潤滑。WOOD等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(shù)值分析發(fā)現(xiàn)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(yàn)確定了油潤滑PEEK齒輪的失效模式，輕載時(shí)發(fā)生齒面點(diǎn)蝕失效，而重載下失效形式為點(diǎn)蝕誘發(fā)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(yè)大學(xué)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(xù)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(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，開展了干接觸/油潤滑條件下主從動(dòng)輪均為POM齒輪(簡稱“POM-POM齒輪副”)的服役性能試驗(yàn)，并記錄了服役過程中塑料齒輪的運(yùn)行溫度、齒廓精度、磨損量和微觀齒面形貌。

1 服役性能試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)齒輪參數(shù)

試驗(yàn)齒輪材料選擇均聚POM(Duracon，M90-44)，根據(jù)產(chǎn)品公司提供的參數(shù)，其力學(xué)性能如表1所示[17]。

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

為避免注塑成形缺陷影響試驗(yàn)結(jié)果[17]，試驗(yàn)齒輪采用機(jī)加工滾齒成形，滾刀精度等級(jí)為DIN 3968 AA級(jí)。根據(jù)GB10095—88 漸開線圓柱齒輪精度標(biāo)準(zhǔn)，POM試驗(yàn)齒輪平均精度等級(jí)為8級(jí)，試驗(yàn)潤滑油選擇MOBILGEAR 600 XP 100，黏度等級(jí)為ISO-VG100。POM-POM齒輪副幾何參數(shù)見表2。

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

1.2 試驗(yàn)臺(tái)性能

本試驗(yàn)中，試驗(yàn)臺(tái)架選擇功率開放式齒輪試驗(yàn)臺(tái)，由2個(gè)主軸箱、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、導(dǎo)軌和監(jiān)測系統(tǒng)組成，見圖1。1號(hào)主軸箱可沿導(dǎo)軌移動(dòng)以調(diào)整齒輪中心距，精度可達(dá)0.001 mm，同時(shí)，試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在22±2 ℃。

圖1 功率開放式齒輪耐久性能試驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 The power-opened gear durability test rig

1.3 試驗(yàn)流程

干接觸條件下試驗(yàn)載荷分別為5，13，20 N·m，而油潤滑條件下試驗(yàn)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(yàn)載荷為27 N·m時(shí)，POM齒輪連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命不到104，而油潤滑條件下試驗(yàn)載荷為34 N·m時(shí)POM齒輪壽命超過108。試驗(yàn)采用噴油潤滑，噴油量為1 L/min，以連續(xù)供油方式直接對(duì)嚙合區(qū)域進(jìn)行潤滑。為了研究POM齒輪齒面形貌演化，當(dāng)循環(huán)次數(shù)分別達(dá)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(shí)，需停機(jī)將POM齒輪副拆卸下來進(jìn)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(yàn)次數(shù)超過了3×106，即停止試驗(yàn)。

圖2為試驗(yàn)測試流程圖。每隔104次循環(huán)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(shè)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(jìn)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(yàn)流程Fig.2 The test procedure

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

潤滑油帶走了塑料齒輪嚙合過程中產(chǎn)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(jié)記錄了試驗(yàn)過程中運(yùn)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(duì)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(yùn)行溫度

圖3為輸出載荷20 N·m、循環(huán)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(xiàn)在嚙合區(qū)，高達(dá)96.9 ℃，POM齒輪本身積累了嚙合過程中產(chǎn)生的大量熱量，環(huán)境溫度與室溫接近，主要傳熱方式為熱對(duì)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(huán)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(dǎo)。

(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(yùn)行溫度演化進(jìn)程。油潤滑條件下POM齒輪輸出轉(zhuǎn)矩近乎是干接觸條件下POM齒輪輸出轉(zhuǎn)矩的7倍，但全周期內(nèi)干接觸條件下POM齒輪的最低運(yùn)行溫度顯著高于油潤滑條件下POM齒輪的最低運(yùn)行溫度。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，干接觸條件下POM齒輪磨損嚴(yán)重，初始漸開線齒形完全喪失，不同階段溫度波動(dòng)極為劇烈。循環(huán)次數(shù)為2.0×106時(shí)，干接觸條件下POM齒輪溫度高達(dá)73.5 ℃，而全周期內(nèi)最低運(yùn)行溫度為40.3 ℃，溫度波動(dòng)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(fù)載同時(shí)，還受到熱載荷隨機(jī)波動(dòng)的影響，其服役環(huán)境相比油潤滑更為復(fù)雜。干接觸2.0×106次后溫度下降的原因可能是，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中節(jié)線處滑移相比其他區(qū)域滑移小，使得節(jié)線區(qū)域材料去除少。而油潤滑條件下POM齒輪運(yùn)行溫度較為穩(wěn)定，溫度波動(dòng)幅值僅為6.2 ℃。

(a)干接觸條件下POM齒輪溫度演化進(jìn)程

圖5所示為循環(huán)4×105次時(shí)不同潤滑條件下POM齒輪的運(yùn)行溫度。由于干接觸條件下輸出轉(zhuǎn)矩為27 N·m時(shí)POM齒輪運(yùn)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(zhuǎn)矩為27 N·m時(shí)，POM齒輪的運(yùn)行溫度值取循環(huán)5×104時(shí)的溫度值。顯然，干接觸條件下POM齒輪運(yùn)行溫度遠(yuǎn)大于油潤滑條件下POM齒輪運(yùn)行溫度。干接觸條件下POM齒輪運(yùn)行溫度隨載荷增大而直線升高，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩為5 N·m時(shí)，運(yùn)行溫度為48.6 ℃，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩增加到27 N·m時(shí)運(yùn)行溫度升高到124.8 ℃。而油潤滑條件下，POM齒輪最高運(yùn)行溫度一直低于45 ℃，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩為27 N·m時(shí)，運(yùn)行溫度為35.4 ℃，約為相同載荷下干接觸齒輪運(yùn)行溫度的1/3。潤滑油顯著改善了POM齒輪的服役條件，循環(huán)油液降低了POM齒輪運(yùn)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(yuǎn)高于干接觸條件下POM齒輪的承載能力，但隨著輸出轉(zhuǎn)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(yùn)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10095—2001，齒輪精度可分為三組檢測項(xiàng)目，現(xiàn)選取第一組檢測項(xiàng)目中的齒廓積累總偏差Fp、第二組檢測項(xiàng)目中的齒廓總偏差Fα和第三組檢測項(xiàng)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(dòng)、沖擊、滑動(dòng)等因素又會(huì)加劇齒面的磨損。圖6a所示為POM主動(dòng)輪精度檢測區(qū)域，圖6b為不同潤滑條件下循環(huán)3×106次后POM主動(dòng)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(guān)系，采用稱重法測試了POM齒輪運(yùn)行過程中的磨損增量。圖7所示為干接觸條件下輸出轉(zhuǎn)矩為5 N·m時(shí)，POM主動(dòng)輪磨損增量與齒廓總偏差Fα增量的對(duì)比。雖然試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了一些散點(diǎn)，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(guān)，POM齒輪齒廓總偏移量可用來衡量POM齒輪的磨損增量。循環(huán)次數(shù)為2.5×106時(shí)，POM齒輪磨損增量增加到22.5 mg/104，齒廓總偏移量也達(dá)到最大值3.2 μm/104，當(dāng)磨損增量減小時(shí)，齒廓總偏移量也隨之減小。因此，齒廓總偏差Fα可作為一個(gè)磨損指標(biāo)來反映POM齒輪磨損情況。

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

循環(huán)次數(shù)越大，POM主動(dòng)輪精度退化程度越嚴(yán)重，但不同檢測項(xiàng)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(duì)比。在三組齒輪精度檢測項(xiàng)目中，齒廓總偏差Fα增大幅度明顯。當(dāng)循環(huán)3×106次后，輸出轉(zhuǎn)矩為5 N·m時(shí)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(zhuǎn)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(jìn)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(shí)，POM齒輪齒廓總偏差Fα變化率隨循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢增大，循環(huán)達(dá)2×106時(shí)激增，在循環(huán)2.5×106次后又恢復(fù)平穩(wěn)。經(jīng)分析可知，干接觸條件下POM齒輪經(jīng)磨合達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)后，由于齒形出現(xiàn)較大的磨損，接觸界面粗糙度逐漸增大，使得原有穩(wěn)定狀態(tài)被打破，齒輪運(yùn)行溫度和磨損率升高，之后再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。輸出扭矩增大到13 N·m后，POM主動(dòng)輪齒廓總偏差Fα急劇增大到407 μm達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，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(dāng)輸出載荷增大到20 N·m時(shí)，干接觸條件下POM齒輪服役條件急劇惡化，導(dǎo)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(shí)，POM主動(dòng)輪Fα經(jīng)過3×106次循環(huán)后僅從初始79 μm增大到了108 μm。對(duì)比主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒廓精度可見，干接觸條件下主動(dòng)輪的齒廓總偏差大于從動(dòng)輪的齒廓總偏差，且約為從動(dòng)輪偏移量的1.5倍，與齒輪副傳動(dòng)比相同。

(a)POM主動(dòng)輪Fα平均值演化進(jìn)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(qū)域示意圖，測量區(qū)域位于齒頂與節(jié)線之間1 mm ×1 mm的正方形區(qū)域。初始齒廓表面算術(shù)平均高度Sa為1.452 μm，圖形清晰地展現(xiàn)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(huán)次數(shù)的增加，切削痕逐漸替代為齒面滑滾運(yùn)動(dòng)帶來的溝壑。圖11所示為POM主動(dòng)輪齒面微觀形貌和表面算術(shù)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(shí)的POM齒輪初始齒廓Sa為1.75 μm，磨合結(jié)束后切削痕完全消失，Sa增大到2.89 μm。穩(wěn)定階段齒面逐漸出現(xiàn)沿齒廓滑移方向的溝壑，Sa保持在3.45 μm左右，繼而穩(wěn)定狀態(tài)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(shí)的POM齒輪，循環(huán)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(shí)的POM齒輪齒面微觀形貌演化

圖12所示為不同潤滑狀態(tài)下POM齒輪齒面形貌對(duì)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(huán)后干接觸條件下POM齒輪齒面磨損嚴(yán)重，齒廓形貌高低不平，出現(xiàn)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(xiàn)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(shí)的POM主動(dòng)輪齒面節(jié)線附近早期黏著磨損形貌。齒輪節(jié)線附近存在較小的相對(duì)滑移速度，由于黏著效應(yīng)，干接觸條件下主從動(dòng)輪之間的材料發(fā)生遷移，造成黏著磨損。由于相同材料摩擦副之間存在較強(qiáng)的黏著傾向，而局部接觸點(diǎn)溫升也使得黏著傾向進(jìn)一步加大，這些構(gòu)成了干接觸條件下POM齒輪發(fā)生黏著磨損的先決條件。同時(shí)，齒輪節(jié)線附近載荷較大，材料局部接觸峰點(diǎn)發(fā)生彈塑性變形、剪切破壞或材料遷移。

(a)5×105次循環(huán)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(shí)POM齒輪磨屑微觀特征和循環(huán)9.8×104次后圖10所示區(qū)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(guī)則帶狀，光學(xué)顯微鏡下干接觸條件下輸出載荷為20 N·m時(shí)的POM主動(dòng)輪齒面出現(xiàn)較深的沿滑移方向塑性流動(dòng)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(jié)線附近脫落的顆粒在接觸壓力的作用下沿滑移方向?qū)Σ牧袭a(chǎn)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(dòng)輪齒廓磨損特征曲線。在干接觸條件下，齒面磨損主要出現(xiàn)在齒頂和齒根區(qū)域，其中齒根區(qū)域的磨損量最大，而節(jié)線區(qū)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(dòng)輪磨損較小，主要集中在節(jié)線與齒根之間的區(qū)域。對(duì)比輸出轉(zhuǎn)矩20 N·m、不同潤滑條件下POM齒輪齒廓形貌可以發(fā)現(xiàn)，干接觸條件下POM齒輪齒面在循環(huán)次數(shù)為6×105時(shí)已完全消失，而油潤滑條件下循環(huán)次數(shù)為3×106時(shí)，POM齒輪齒面仍較為完整。

(a)干接觸條件下POM主動(dòng)輪齒形貌對(duì)比

圖16所示為不同載荷等級(jí)和潤滑狀態(tài)下POM齒輪的失效情況。潤滑和載荷對(duì)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(yùn)行溫度升高，齒輪局部接觸區(qū)域出現(xiàn)膠合，當(dāng)運(yùn)行溫度超過材料熔點(diǎn)時(shí)，POM齒輪輪齒會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)局部融化[1]。油潤滑條件下POM齒輪齒面磨損小，通過工業(yè)CT檢測發(fā)現(xiàn)，輪齒節(jié)線附近出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，失效形式在當(dāng)前載荷范圍內(nèi)表現(xiàn)為點(diǎn)蝕失效。

(a)干接觸下齒面過度磨損

3 結(jié)論

本文通過分析干接觸/油潤滑狀態(tài)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(shí)了油潤滑可顯著提高POM齒輪承載能力，有助于后續(xù)針對(duì)具體工況開展塑料齒輪服役性能分析。結(jié)論總結(jié)如下：

(1)隨著載荷的增大，干接觸條件下POM齒輪運(yùn)行溫度急劇上升，服役期內(nèi)波動(dòng)劇烈，而油潤滑條件下POM齒輪運(yùn)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(yùn)行溫度。

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

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