无论是水轮机还是新一代电动汽车都需要利用齿轮将天然能源转化为动能。尽管这种简易装置的效率较低，但研究人员仍然热衷于降低其功率损失。

    自机械时代开启以后，机械工业一直利用齿轮传送发动机产生的功率，以及转化扭矩以获得前进的动力和所需的速度。那么齿轮能否在更好地完成工作的同时，避免无效的功率损失？科学家认为答案是肯定的，他们研究了现代齿轮箱内部的工况——包括润滑情况。旨在释放重负荷齿轮更多的性能。托马斯·洛纳来自慕尼黑理工大学的齿轮设计研究所（FZG），他表示目前齿轮箱设计者主要面临三大挑战。其一是解决噪声、振动与声振粗糙度问题。其二是不断追求高功率密度，让轻小齿轮箱取代大型齿轮箱。其三是提高能效和降低损失的需求日益增长。

    第三个挑战变得愈加重要，这是因为通过齿轮箱，可以从几个根源上减少二氧化碳排放。降低齿轮、轴承、密封件和辅助装置的损失都是可行的。效率更高的齿轮可以满足环境需求，有利于保护稀有资源，并且开辟了长途电动汽车时代。

    乔治·塞亚布拉是葡萄牙波尔图大学的教授，他指出：“综合考虑齿轮箱涉及的各种情况后，提高齿轮箱的效率无疑是我们面临的最大难题。”随着齿轮发生滑动、啮合、卡紧运动，齿轮箱的负荷、速度和压力点不断改变。

提高效率的因素

    不只是机动车辆，工业设备、风轮机和其他设备也在追求更高的效率。只有齿轮箱设计者和生产商在初期把齿轮油和添加剂考虑在内，才能获得最佳效果；而不是在齿轮箱设计完成后才来考虑这两个因素，然后还奢望润滑顺利进行。

    卡伊·D·克莱斯柯德是亚琛工业大学的电动车零件生产工程项目负责人。他预计提高齿轮效率的压力将会加重，尤其在2020年后，此时电动传动系统的使用提高了转速。

    未来似乎将会出现两种不同的汽车：用于短途通勤和城市配送的纯电动“城市车辆”；具有电动传动系统和用于长途行驶的混合动力车辆。

    这两类汽车的关键零件都是齿轮。克莱斯柯德表示，全电动汽车的变速箱和齿轮箱将发动机或电池产生的功率传送到轮胎。对于串联式/并联式混合动力汽车而言，齿轮箱和离合也非常重要。

    研究人员早已致力于解决负荷齿轮损失问题。其中一个策略是找出这些损失的准确来源，如齿轮、轴承、密封件或润滑油的摩擦，然后循序渐进地解决问题，提高效率。

    这也是FZG的校友——迈克尔·英特托瑟的目标，他在2014年发表的博士论文就是洛纳演说的框架。英特托瑟认为正齿轮的损失与齿形、齿侧面光洁度、润滑油种类和供油紧密相关。他猜测在整个工况中，优化上述任何一个因素就可以降低70%以上的功率损失。

    首先讨论的是齿形：能否让齿形变平滑从而降低啮合程度？洛纳表示，近年设计师已经让这种假想变成了现实，他们设计了“中度低损”和“极度低损”型齿轮，与传统齿轮相比，它们的齿高较低。这种改变可以减少齿轮的端面重合度，让齿轮的接触区域集中在节点处。

    然而，这样一来，相比于广泛的接触面积，接触点承受着更大的压力和负荷。同时也改变了油浴润滑模式——齿轮的转动带动润滑油飞溅，从而满足各润滑点的润滑。

    洛纳表示，其他研究人员推理得出在负荷工况下，中度低损型齿轮比传统齿轮能够提高69%的效率；如果使用极度低损型齿轮，那么可以提高85%的效率。

实现效率量化

   为了量化实际效率，FZG使用改良FZG齿轮效率试验台架测试了各种齿形和润滑油。该台架将一个试验齿轮箱和一个陪试齿轮箱通过两根轴连接成闭合电路。先测试出电路的总损失功率，其平均值就是试验齿轮箱或陪试齿轮箱的损失功率（首先应减去台架轴承所造成的损失功率）。

    上述测试采用了中度低损型齿轮（其端面重合度为1）和极度低损型齿轮（其中重合度元小于1）。研究人员采用乘用车手动变速箱的六档齿轮（常规齿高，重合度稍高于2 的传统产品）作为对照组。

    洛纳表示不只有负荷工作体系才存在损失，无负荷工况的功率损失也有25%之多。然而，FZG测试仅仅确定了齿形以及负荷相关损失的初步计算。

    试验结果表明，相比于传统齿轮，中度低损型齿轮能够提高约61%的效率，极度低损型齿轮能够提高约79%的效率。

    洛纳表示，其他的测试表明“供油对功率损失具有巨大的影响，影响因素包括润滑油的粘度和种类；也就是合成润滑油与矿物润滑油的区别”。洛纳是FZG的弹流动力润滑与摩擦与效率部门的负责人。他在埃斯灵根技术研究院举办的研讨会上表示，由于润滑油的种类影响甚深，因此需要仔细挑选适合该种齿轮箱及其工况的润滑油。

    FZG试图探讨能否根据润滑油对功率的贡献来对其进行排名。在下一轮测试中，FZG使用了标准FZG齿轮效率台架来详细地测试了三种受欢迎的齿轮油：一种含有极压剂的矿物油、一种PAO油和一种合成聚醚油（PAG油）。

    尽管这三种油在100℃下具有相同的ISO粘度（10厘斯），但是它们具有不同的表现。通过检测FZG台架测试中损失的功率，得知PAO基础油在齿轮中的平均摩擦系数比矿物油的少35%。聚醚产品的表现更加优秀，它的摩擦系数还额外减少了12%，也就是说聚醚的摩擦系数比矿物油的少47%。变速箱中的油量对功率也有相当的影响。但事实上，摩擦系数太低也未必是好事。

   尽管冷却齿轮箱所产生的热量需要足量的润滑油，但是过多的润滑油会引起内部摩擦，并降低运动速度。浅齿低损的齿轮尤甚。洛纳表示：“目前所有的测试表明设计师可以减少低损齿轮的油量，即使减少到轮齿不能浸泡在油浴的程度。”

   把FZG齿轮效率台架测试的所有结果按顺序排列，便可知设计师可以按效率对几个参数进行轻重区分。首先应建立一个基础标准，比如使用矿物基础油润滑的传统齿轮。

    中度低损型齿轮是前进的一大步，即便使用的还是矿物齿轮油。

    接下来可以通过齿轮侧面精加工以及进行试验程序以获得最佳的表面光洁度，从而实现提高效率的目标。

    至于下一步，洛纳建议设备设计者指定聚醚润滑油以及能够在少量该种合成润滑油中工作的最新型低损齿轮。

    洛纳表示：“在高转速大扭矩的工作体系中，上述措施最多能减少87%的负荷相关损失，平均减少93%的齿轮摩擦。”还想要更高的效率？“那么可以通过添加剂、DLC涂层和采取更有效的散热措施来实现。”