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齿轮材料向高性能聚合物的转变

来源:国际汽车设计及制造 发布时间:2020-09-10 1532
工业金属加工汽车制造整车及零部件自动驾驶&车联网金属成型机床机加工总装与装配工程材料与轻量化塑料加工设备橡胶加工设备及零件工厂管理其他 技术前沿
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发动机小型化、电气化以及排放法规更加严苛,这些因素驱动着功能更强大、性能更高、同时还要兼具成本效益的汽车解决方案的推出。

发动机小型化、电气化以及排放法规更加严苛,这些因素驱动着功能更强大、性能更高、同时还要兼具成本效益的汽车解决方案的推出。当提到内燃机、混合动力和电动动力总成当前所面临的挑战,可能人们不会首先想到聚合物材料。


但是,由于使用了金属齿轮,平衡轴系统、曲轴系统、泵以及附件传动装置内的齿轮都会产生敲击和啸叫,这将会引起NVH问题[1]。最常见的解决方案是使用金属剪刀式齿轮和橡胶减振齿轮。但这些解决方案通常制造复杂,成本高且笨重。另外,由于金属与金属的齿轮啮合仍然存在,因此并不能完全消除齿轮的啸叫噪声。


高性能热塑性塑料能否可靠地改善动力传动齿轮系统的性能?在发动机相关的应用领域,例如平衡轴系统、曲轴及其泵驱动系统,用热塑性齿轮代替金属齿轮或齿轮系统,其性能优势包括NVH改进50%、重量大幅降低(PEEK密度不到钢的1/5)、转动惯量大幅降低(降幅达78%)。


汽车的电气化将进一步增强对具有成本效益的齿轮NVH的改善需求,特别是在插电式混合动力汽车(PHEV)和电动汽车(EV)的纯电驾驶模式下,因为此时没有内燃机(ICE)的噪声掩盖。


满足汽车的多种要求


要开发下一代汽车动力总成技术,汽车设计工程师要将全球客户的需求转化为具有成本效益的开拓性解决方案,并保持领先竞争对手。这正是用途极为广泛的聚醚醚酮(PEEK)聚合物发挥作用的领域。


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VICTREX HPG 高性能齿轮


与金属相比,PEEK聚合物的重量非常轻、易于成型、抗腐蚀、耐液体的侵蚀,并且具有相当高的比强度(单位质量的强度)。自从20世纪80年代VICTREX™PEEK首次实现商业化以来,威格斯持续进行产品研发,实现了大量的材料和技术创新,彻底改变了聚合物的使用方式,并突破了材料原有的性能和使用界限。


其次,威格斯率先在汽车应用上替代金属材料,特别是变速箱系统,通过最大程度地减少摩擦损耗,降低重量和系统复杂性,来帮助OEM厂商减少CO2的排放和总系统成本,同时还提高了系统效率。现在有超过2亿的车辆驾驶员依靠基于VICTREX™PEEK材料制成的ABS/ESC制动组件。在汽车应用方面,超过5亿个齿轮由高性能聚合物材料制造。


提起齿轮,很多人的第一感觉是金属齿轮是不可能被替代的,而事实证明,VICTREXHPG™(高性能齿轮)应用在当前小型化的发动机上,可有效解决齿轮的敲击和啸叫噪声问题。而且与金属剪刀式齿轮相比,使用VICTREXHPG™齿轮有助于降低惯性矩,减少能耗和系统总成本。


大量的耐久性测试表明,VICTREXHPG™齿轮可应对平衡轴系统所产生的高的动态负载,同时为车辆带来上述优势。事实证明,金属材料换成VICTREXHPG™聚合物经久耐用,另外,还具有潜在减重的好处。


技术上可行性


无论齿轮解决方案的价值和性能看起来多么诱人,要实现可靠和耐用的目标,必须在技术上可行。对于热塑性齿轮解决方案,这通常是最难克服的挑战,并且在整个开发过程中都需要最高水平的技术能力。


耐用:与性能指标不同,持久性参数是二进制的,必须绝对可靠。从材料牌号上来讲,即使是使用高强度VICTREX™PEEK牌号材料的齿轮,例如VICTREXHPG™240(几乎是最强的热塑性塑料),在内燃机的运行温度下,其强度也不到普通合金钢的25%。但是,经过独特的热塑性齿轮设计,以及注塑成型加工所带来的高度灵活性,基于热塑性塑料的独特机械性能和特定的操作环境,通常可以达到所要求的耐用性,并具备明显的安全要素。


可靠:可靠性要求贯穿在产品的整个生命周期中,齿轮解决方案的耐用性和性能需要在整个系统操作范围内、在所有装配过程中都能满足要求。对于热塑性齿轮,必须谨慎地考虑:在产品设计允许的范围内,最大程度地降低由于制造方式变化所造成的影响;系统的极端运行条件(包括可预测的过载情况)以及与老化模拟相关的多年测试数据。


移动型社会:行业的新挑战需要新思维


具有出行需求和减少碳排放意识的客户,再加上政府监管机构的影响,从根本上改变了运输市场。结果是,出现了大批的OEM厂家开发了电动自行车、电动踏板车、电动公交车、电动垂直起降飞机、插电式混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(BEV)。驾驶员希望车辆安静舒适并支持代步方式选择,而监管机构正在寻找更有效的碳排放解决方案。


尽管市场增速放缓,但中国仍然是汽车的重要市场。自2015年超越美国成为最大的电动汽车市场以来,中国持续领跑,这归功于政府的购车补贴和鼓励研究工作。中国正在寻求减少石油消耗、净化空气的解决方案,并寻找与日本、欧洲和北美的全球汽车巨头竞争的新方法。


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正是在这种背景下,中国对电动汽车生产的推动力令人印象深刻,其快速增长一部分受到政策的推动,但也受到消费者需求的推动。如今,越来越多的中国消费者更青睐电动汽车,在他们看来,电动汽车是一项新的、卓越的技术,并且具有更高的价值。经过一段时间的政策转变(部分由COVID-19新冠疫情驱动)后,中国已将价格低于30万元(42,370美元)的新能源汽车的激励措施延长到2022年。这将鼓励用户的采购意愿,同时利于制造商进行成本改进,进而实现中国2025年新能源汽车25%的销量占比的目标。


在发动机舱的各种应用中,PEEK已经成为OEM厂商/一级供应商提高效率的首选材料。以电机为例,基于PEEK材料的电气绝缘有助于改善热管理,实现可靠运行并能降低整体系统成本。同样,在摩擦应用中,例如密封环或止推垫圈,得益于其对流体的抗腐蚀能力和出色的耐磨性(不仅优于金属,而且还优于其他聚合物),人们发现PEEK材料可以给组件提供更长的使用寿命。另一个好处就是,可以在更小的空间中实现功能整合/小型化,同时还能承受高负载和高温。


随着越来越多的新能源汽车(NEV)的开发,在实现当今新交通方式,以及为消费者和监管者带来的利益方面,高性能聚合物齿轮有望发挥关键作用。为满足消费者和监管者希望低碳出行的需求,新产品浪潮正在迅速涌现。聚合物齿轮可以填补消费者和监管者之间的利益鸿沟,提供具有成本优势的NVH解决方案,供设计工程师在开发和发布产品时使用。


[1]NVH-噪声、振动与声振粗糙度。这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题,车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。




来源:威格斯


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