塑料材質(zhì)變速器或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)

在汽車行業(yè)中，塑料一直都是一種很理想的減重材料，長(zhǎng)期以來(lái)都在大量廣泛地應(yīng)用于汽車的各個(gè)部分，比如車身面板、內(nèi)飾材料和發(fā)動(dòng)機(jī)艙部件等，但從未想過(guò)要把變速箱外殼和齒輪組也改為塑料。

不過(guò)，這種情況可能要發(fā)生改變了。最近，有兩家歐洲公司正在進(jìn)行聯(lián)合研究工作，旨在顯著擴(kuò)大塑料復(fù)合材料在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，而且他們還計(jì)劃借助電動(dòng)車研究進(jìn)行技術(shù)改良。

這對(duì)合作伙伴分別為英國(guó)變速器設(shè)計(jì)工程咨詢公司Drive System Design(DSD)，以及廣泛活躍在汽車、航空、能源和環(huán)境等領(lǐng)域的布魯塞爾國(guó)際化學(xué)集團(tuán)Solvay。

DSD公司和Solvay集團(tuán)正在進(jìn)行復(fù)合材料設(shè)計(jì)改良，從而尋找適合變速器應(yīng)用的解決方案，比如圖中的塑料變速器外殼。

為了優(yōu)化未來(lái)純電動(dòng)車的NVH特性（噪聲、振動(dòng)和不平順性），這兩家公司開始聯(lián)手研發(fā)塑料材質(zhì)的變速器外殼，并同時(shí)探索通過(guò)這種材料提高齒輪嚙合效率的可能性?？紤]到噪聲問(wèn)題，使用金屬材料的可能性基本可以被直接排除在外。

DSD公司總經(jīng)理Mark Findlay解釋說(shuō)：“利用塑料替代傳統(tǒng)的金屬鑄件不但可以立刻獲得減重效益，而且還有潛力實(shí)現(xiàn)效率的提升。聚合材料的固有阻尼特性允許廠商設(shè)計(jì)更多的有效檔位，比如采用更小的螺旋升角或正齒輪等。由于產(chǎn)生的噪聲過(guò)大，這種設(shè)計(jì)根本無(wú)法應(yīng)用在傳統(tǒng)材料的變速箱外殼中。而采用更小的輪齒可以減少滑動(dòng)、增加滾動(dòng)，從而提高齒輪組的效率。”

Findlay認(rèn)為，機(jī)軸、套管和液壓閥體均有希望被納入塑料復(fù)合材料（或增強(qiáng)塑料復(fù)合材料）的應(yīng)用范圍。對(duì)常規(guī)乘用車變速器而言，如果完全使用塑料材料則最高可獲得45%的減重效益。即使在為了保證車輛NVH特性而為車輛增加一層“皮膚”之后，使用塑料材料的減重比例仍可達(dá)到25%。此外，由于采用了塑料材料，每次齒輪嚙合過(guò)程中的動(dòng)能損耗最高可以減少0.5%。

事實(shí)上，這兩家公司的合作，并不是汽車行業(yè)**次試圖拓展塑料復(fù)合材料在基礎(chǔ)動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用，但理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)總是不那么容易。

Solvay集團(tuán)的復(fù)合材料可用于制造鏈輪。

早在20世紀(jì)60年代末，通用汽車就開始進(jìn)行復(fù)合材料變速箱的研究，并成功打造了一個(gè)原型。F1方程式和航空航天行業(yè)也開展了類似的研發(fā)項(xiàng)目，探索復(fù)合材料帶來(lái)的更多可能性。

20世紀(jì)80年代，復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展開始停滯不前，當(dāng)時(shí)的復(fù)合技術(shù)無(wú)法滿足管套和輪齒等變速器元件的高容量需求，但如今的技術(shù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)改變了。

Findlay對(duì)塑料材料可能應(yīng)用范圍的看法相當(dāng)務(wù)實(shí)。他強(qiáng)調(diào)，為了協(xié)助提升車輛的NVH表現(xiàn)，這種技術(shù)可能**在**電動(dòng)車領(lǐng)域發(fā)揮作用?！坝捎陔妱?dòng)車并不使用內(nèi)燃機(jī)，因此傳動(dòng)系統(tǒng)的任何NVH問(wèn)題均會(huì)更容易暴露在相對(duì)安靜的車艙之中，這對(duì)能夠發(fā)揮自身固有阻尼優(yōu)勢(shì)的塑料變速器外殼來(lái)說(shuō)非常有利?！?br style="box-sizing:border-box;" />
此外，由于電動(dòng)車行駛時(shí)的溫度也比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車更低，因此也能更好地適應(yīng)低成本聚合材料120°C(248°F)左右的溫度極限。Findlay的一個(gè)觀點(diǎn)非常有趣，他認(rèn)為由于現(xiàn)階段電動(dòng)車的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)車，剛好可以給相關(guān)制造技術(shù)一定的發(fā)展時(shí)間，逐步從原型制造階段進(jìn)化至量產(chǎn)階段。

Findlay認(rèn)為現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是：“汽車行業(yè)對(duì)很多新材料的機(jī)械屬性并不熟悉，很容易掉入一些‘陷阱’之中，而且由于這些材料的非線性特性，隨著溫度變化，其屬性發(fā)生改變的程度高達(dá)50%。舉例而言，聚合物在到達(dá)玻璃化溫度(glass transition temperature)后會(huì)逐漸變軟，這會(huì)極大地影響該材料的機(jī)械屬性，有時(shí)甚至吸點(diǎn)水也會(huì)影響聚合物的屬性。通常來(lái)講，在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中尋求與材料供應(yīng)商的合作，是個(gè)不錯(cuò)的做法，但如果設(shè)計(jì)研發(fā)的對(duì)象是聚合物這類屬性多變的材料，那么與材料供應(yīng)商的合作就是必不可少的了。”

DSD公司復(fù)合材料變速器外殼設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)圖。

DSD公司和Solvay集團(tuán)正是為了實(shí)現(xiàn)這樣的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，開始了他們的復(fù)合變速器外殼聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目。

考慮到結(jié)構(gòu)性功能和量產(chǎn)制造的成本，這兩家公司在塑料變速器研發(fā)中引入了低成本的復(fù)合技術(shù)。DSD公司認(rèn)為，如果按照目前$10/kg的平均行業(yè)減重補(bǔ)貼計(jì)算，塑料復(fù)合材料變速器外殼的成本完全可以與現(xiàn)有的鋁制產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

Solvay集團(tuán)表示，通過(guò)高效的FE（有限元）分析技術(shù)，結(jié)合使用現(xiàn)有的機(jī)械屬性數(shù)據(jù)，以及模流特性和纖維定向等參數(shù)，針對(duì)復(fù)合材料耐久性的預(yù)測(cè)水平可以得到大幅提升。一般而言，純塑料元件的回收相當(dāng)簡(jiǎn)單明了，而且關(guān)于復(fù)合材料回收的相關(guān)研究也在不斷進(jìn)行之中，所有材料廠商都要面對(duì)回收塑料材料的問(wèn)題。這些都可以成為塑料傳動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)的推動(dòng)力。

Findlay表示：“我們比較傾向于設(shè)計(jì)一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的變速器外殼，具體是在結(jié)構(gòu)性框架周圍注塑聚合材料，從而形成一層連續(xù)的屏障，防止由于機(jī)油侵入造成內(nèi)嵌與外層聚合材料之間的結(jié)合強(qiáng)度減弱。

DSD公司和Solvay集團(tuán)正在與多家汽車廠商探討適用于各種未來(lái)變速器和傳動(dòng)系統(tǒng)的潛在替代材料。目前，復(fù)合材料變速器技術(shù)仍處于研發(fā)階段，仍需繼續(xù)尋找最合適的材料和工藝，必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化后才能進(jìn)入接近量產(chǎn)的階段。

DSP公司和Solvay集團(tuán)預(yù)測(cè)，復(fù)合變速器外殼可能會(huì)在未來(lái)5到10年內(nèi)進(jìn)在市場(chǎng)上推出。

Solvay集團(tuán)正在與DSD公司合作研發(fā)動(dòng)力系統(tǒng)中的復(fù)合材料應(yīng)用，圖為該集團(tuán)全球汽車市場(chǎng)部經(jīng)理Mark Wright。

Solvay集團(tuán)全球汽車市場(chǎng)經(jīng)理Mark Wright強(qiáng)調(diào)，必須通過(guò)提供一系列解決方案，不斷爭(zhēng)取新的潛在客戶，這點(diǎn)非常重要：“每個(gè)客戶都有不同方面的需求，比如減重、NVH優(yōu)化或能效提升等。我們必須針對(duì)每家客戶的特定要求，為他們提供最合適的解決方案?！?br style="box-sizing:border-box;" />
他解釋說(shuō)，Solvay集團(tuán)積極參與了“多項(xiàng)”具有很高知名度的項(xiàng)目，z展示公司在材料科學(xué)方面的潛力：“目前，Solar Impulse正在進(jìn)行環(huán)球飛行挑戰(zhàn)，我們?yōu)檫@駕實(shí)驗(yàn)性零碳太陽(yáng)能飛行器提供了15種我們自己的產(chǎn)品；我們還為Polimotor 2全塑料賽車發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目提供了多種熱塑材料?！?br style="box-sizing:border-box;" />
Polimotor 2項(xiàng)目大量采用復(fù)合材料，還將利用Solvay公司的高級(jí)聚合技術(shù)研發(fā)至多10種發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，包括水泵、油泵、進(jìn)水口/出水口、節(jié)氣門、油軌等多種高性能部件。目前，Solvay集團(tuán)可以提供的材料包括Amodel聚鄰苯二甲酰胺(PPA)、AvaSpire聚芳基甲酮(PAEK)、Radel聚亞苯基砜(PPSU)、Ryton聚苯基硫醚(PPS)、Torlon聚酰胺酰亞胺(PAI)，以及Tecnoflon VPL氟橡膠等。