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原文传递聚醚醚酮协同摩擦磨损机理及其在电驱动系统中的应用

论文题名：	聚醚醚酮协同摩擦磨损机理及其在电驱动系统中的应用
关键词：	电动汽车;电驱动系统;聚醚醚酮;摩擦学性能
摘要：	高转速化与轻量化是电驱动系统的重要发展方向。当功率相同时，纯电动汽车动力总成的功率密度会随着工作转速的升高而增大，不仅能改善车辆的行驶经济性，还能够提高驱动系统的布置灵活性。然而，传统的油润滑金属齿轮由于存在搅油造成的功率损失以及高频振动噪声性能恶化等问题，制约了电驱动系统极限工作转速的进一步提高。随着高分子基自润滑复合材料的机械性能与摩擦磨损性能不断提升，诸如聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK）等材料已初步具备作为齿轮、轴承等核心零部件在电驱动系统中应用的潜力。高分子复合材料在电驱动系统中的应用能够使其获得优异的自润滑性能，从而避免油润滑引发的搅油损失，提高系统功率传递效率，有望进一步突破电驱动系统的转速和功率密度极限。　　然而，真正实现高分子复合材料在电驱动系统中的应用仍然面临巨大挑战:（1）摩擦磨损性能是制约复合材料应用的关键因素。当其作为齿轮使用时，较大的摩擦系数会引发齿轮功率传递效率降低；剧烈的磨损则会导致啮合齿形发生变化，进而引发断齿失效、传递误差增大等问题。（2）通过与固体润滑剂熔融共混的方式虽然能够极大地改善高分子材料的摩擦学性能，但是也会削弱其优异的机械性能，进而损害复合材料齿轮的扭矩承载能力，极大制约了齿轮副性能。　　本文针对上述高分子复合材料在电驱动系统中应用时存在的挑战性问题，提出了复合材料“协同摩擦”减磨方法。该方法旨在不牺牲聚醚醚酮（PEEK）优异机械性能和可加工性能的前提下，改善其摩擦学性能以满足电驱动系统的应用要求。利用自行设计开发的“双销-盘”式摩擦磨损实验机从润滑剂供给条件、接触温度、填料特性、对磨面粗糙度四个方面分别探究了协同减磨系统的载荷条件选取问题、承载能力问题、配方优化方法以及对磨表面选用方法。在进行基础摩擦磨损机理研究的基础上，进一步开展了将协同减磨方法应用于电驱动系统中作为齿轮和轴承部件的工程应用工作。本论文的具体研究内容包括：　　（1）针对将PEEK与聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）直接熔融共混所引发的问题，本论文提出了利用多个独立的不同类型高分子复合材料协同工作的减磨方法，设计了其在电驱动系统中的齿轮与轴承应用构型。该方法通过将PTFE（固体润滑部件）从PEEK（机械承载部件）中独立剥离并共同工作在同一个滑道中，以实现在不牺牲PEEK优异机械性能和可加工性能的条件下，显著改善其摩擦学性能。自行设计开发了“双销-盘”式摩擦磨损实验机以验证协同减磨方法的有效性及其相应的基础摩擦学机理。　　（2）建立了考虑协同摩擦系统中多个热源之间相互作用关系的接触温度理论分析模型。该温度模型不仅探究了在微观真实接触区域内的瞬态闪温，还充分考虑了宏观热行为所引发的稳态基体温升的影响。通过实验验证了该温度模型具备良好的预测精度。理论及实验研究结果表明峰值接触温度是制约协同摩擦系统承载能力的关键因素。　　（3）考虑到添加剂特性对复合材料摩擦学性能以及摩擦转移膜生成能力的显著影响，探究了微米黄铜颗粒、纳米氧化铝颗粒、石墨、二硫化钼、碳纤维等不同类型添加剂对协同摩擦系统性能的影响。通过对比相同材料在单销-盘工况和双销-盘工况下的性能差异，探究了协同摩擦系统中各部件的功能以及相互间的影响作用机理。为复合材料协同摩擦系统的材料选型与配方设计奠定基础。　　（4）采用不同的磨抛工艺制备了具有不同粗糙度的金属对磨表面。探究了对磨面粗糙度对协同摩擦系统性能以及摩擦转移膜生成情况的影响。将具备不同磨粒尺寸的砂纸作为对磨面，利用图像处理技术定量探究了微米添加剂颗粒在复合材料磨损面上的颗粒沉积行为，为复合材料协同摩擦系统中的对磨面设计提供指导。　　（5）基于对复合材料协同摩擦系统的探究与认识，设计开发了应用协同减磨原理的复合材料齿轮副与滑动轴承。通过对机械强度、接触温度、磨损寿命的理论计算对协同减磨复合材料齿轮在机械性能、承载能力、使用寿命上的提升进行验证。通过实验的方法对协同减磨复合材料轴承的有效性及失效机理进行探究。　　通过对以上内容的深入探索，本文指导了高分子复合材料协同减磨系统的润滑补给条件设置、极限承载能力预估、配方优化设计以及对磨面选用等问题，并实现了从摩擦学基础理论机理到电驱动系统工程实践应用的系统研究，提出的复合材料协同减磨方法的有效性得到了明确的验证。
作者：	林志斌
专业：	车辆工程
导师：	曲婷
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022