塑料材質(zhì)變速器或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實

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

不過，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行聯(lián)合研究工作，旨在顯著擴大塑料復合材料在汽車傳動系統(tǒng)中的應用，而且他們還計劃借助電動車研究進行技術(shù)改良。

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

DSD公司和Solvay集團正在進行復合材料設計改良，從而尋找適合變速器應用的解決方案，比如圖中的塑料變速器外殼。

為了優(yōu)化未來純電動車的NVH特性（噪聲、振動和不平順性），這兩家公司開始聯(lián)手研發(fā)塑料材質(zhì)的變速器外殼，并同時探索通過這種材料提高齒輪嚙合效率的可能性。考慮到噪聲問題，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：“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，而且還有潛力實現(xiàn)效率的提升。聚合材料的固有阻尼特性允許廠商設計更多的有效檔位，比如采用更小的螺旋升角或正齒輪等。由于產(chǎn)生的噪聲過大，這種設計根本無法應用在傳統(tǒng)材料的變速箱外殼中。而采用更小的輪齒可以減少滑動、增加滾動，從而提高齒輪組的效率。”

Findlay認為，機軸、套管和液壓閥體均有希望被納入塑料復合材料（或增強塑料復合材料）的應用范圍。對常規(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到25%。此外，由于采用了塑料材料，每次齒輪嚙合過程中的動能損耗最高可以減少0.5%。

事實上，這兩家公司的合作，并不是汽車行業(yè)**次試圖拓展塑料復合材料在基礎動力系統(tǒng)中的應用，但理想變?yōu)楝F(xiàn)實總是不那么容易。

Solvay集團的復合材料可用于制造鏈輪。

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

20世紀80年代，復合材料應用的發(fā)展開始停滯不前，當時的復合技術(shù)無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)可能會實現(xiàn)改變了。

Findlay對塑料材料可能應用范圍的看法相當務實。他強調(diào)，為了協(xié)助提升車輛的NVH表現(xiàn)，這種技術(shù)可能**在**電動車領(lǐng)域發(fā)揮作用。“由于電動車并不使用內(nèi)燃機，因此傳動系統(tǒng)的任何NVH問題均會更容易暴露在相對安靜的車艙之中，這對能夠發(fā)揮自身固有阻尼優(yōu)勢的塑料變速器外殼來說非常有利?！?br style="box-sizing:border-box;" />
此外，由于電動車行駛時的溫度也比傳統(tǒng)內(nèi)燃機車更低，因此也能更好地適應低成本聚合材料120°C(248°F)左右的溫度極限。Findlay的一個觀點非常有趣，他認為由于現(xiàn)階段電動車的產(chǎn)量遠遠低于內(nèi)燃機車，剛好可以給相關(guān)制造技術(shù)一定的發(fā)展時間，逐步從原型制造階段進化至量產(chǎn)階段。

Findlay認為現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是：“汽車行業(yè)對很多新材料的機械屬性并不熟悉，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50%。舉例而言，聚合物在到達玻璃化溫度(glass transition temperature)后會逐漸變軟，這會極大地影響該材料的機械屬性，有時甚至吸點水也會影響聚合物的屬性。通常來講，在設計研發(fā)過程中尋求與材料供應商的合作，是個不錯的做法，但如果設計研發(fā)的對象是聚合物這類屬性多變的材料，那么與材料供應商的合作就是必不可少的了。”

DSD公司復合材料變速器外殼設計細節(jié)圖。

DSD公司和Solvay集團正是為了實現(xiàn)這樣的強強聯(lián)手，開始了他們的復合變速器外殼聯(lián)合研發(fā)項目。

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合技術(shù)。DSD公司認為，如果按照目前$10/kg的平均行業(yè)減重補貼計算，塑料復合材料變速器外殼的成本完全可以與現(xiàn)有的鋁制產(chǎn)品競爭。

Solvay集團表示，通過高效的FE（有限元）分析技術(shù)，結(jié)合使用現(xiàn)有的機械屬性數(shù)據(jù)，以及模流特性和纖維定向等參數(shù)，針對復合材料耐久性的預測水平可以得到大幅提升。一般而言，純塑料元件的回收相當簡單明了，而且關(guān)于復合材料回收的相關(guān)研究也在不斷進行之中，所有材料廠商都要面對回收塑料材料的問題。這些都可以成為塑料傳動系統(tǒng)的研發(fā)的推動力。

Findlay表示：“我們比較傾向于設計一種復合結(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，防止由于機油侵入造成內(nèi)嵌與外層聚合材料之間的結(jié)合強度減弱。

DSD公司和Solvay集團正在與多家汽車廠商探討適用于各種未來變速器和傳動系統(tǒng)的潛在替代材料。目前，復合材料變速器技術(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)過進一步的優(yōu)化后才能進入接近量產(chǎn)的階段。

DSP公司和Solvay集團預測，復合變速器外殼可能會在未來5到10年內(nèi)進在市場上推出。

Solvay集團正在與DSD公司合作研發(fā)動力系統(tǒng)中的復合材料應用，圖為該集團全球汽車市場部經(jīng)理Mark Wright。

Solvay集團全球汽車市場經(jīng)理Mark Wright強調(diào)，必須通過提供一系列解決方案，不斷爭取新的潛在客戶，這點非常重要：“每個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。我們必須針對每家客戶的特定要求，為他們提供最合適的解決方案。”

他解釋說，Solvay集團積極參與了“多項”具有很高知名度的項目，z展示公司在材料科學方面的潛力：“目前，Solar Impulse正在進行環(huán)球飛行挑戰(zhàn)，我們?yōu)檫@駕實驗性零碳太陽能飛行器提供了15種我們自己的產(chǎn)品；我們還為Polimotor 2全塑料賽車發(fā)動機項目提供了多種熱塑材料?！?br style="box-sizing:border-box;" />
Polimotor 2項目大量采用復合材料，還將利用Solvay公司的高級聚合技術(shù)研發(fā)至多10種發(fā)動機零部件，包括水泵、油泵、進水口/出水口、節(jié)氣門、油軌等多種高性能部件。目前，Solvay集團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。