作为本系列的首篇文章，本文探讨了决定电动助力转向（EPS）蜗轮性能极限的基础聚合物科学。我们将阐明，为何要对材料进行深入的分子层面理解，这对于克服其在负载能力、长期磨损、耐用性及NVH（噪声、振动与声振粗糙度）方面面临的挑战至关重要。通过界定关键原理与材料选型准则，本文为理解先进的聚合物工程技术——如Nylacast Automotive所实践的那样——如何为汽车转向系统解锁更高层次的可靠性与精密度奠定基础。

聚合物科学及其在汽车蜗轮中的应用（第一部分）：基础理论、分类与选型准则

摘要： 作为本系列的首篇文章，本文探讨了决定电动助力转向（EPS）蜗轮性能极限的基础聚合物科学。我们将阐明，为何要对材料进行深入的分子层面理解，这对于克服其在负载能力、长期磨损、耐用性及NVH（噪声、振动与声振粗糙度）方面面临的挑战至关重要。通过界定关键原理与材料选型准则，本文为理解先进的聚合物工程技术——如Nylacast Automotive所实践的那样——如何为汽车转向系统解锁更高层次的可靠性与精密度奠定基础。

1. 聚合物基础：从分子到工程材料
EPS蜗轮的性能源于分子层面。本节将介绍聚合物科学的基础知识——从单体、聚合反应到工程塑料配方。理解这些核心原理，对于把握耐用、高精度、与安全密切相关的汽车部件背后的材料工程至关重要。

1.1 单体与高分子：基本结构单元
聚合物的工程世界始于分子层面的“单体”。单体是一种结构简单的小分子，其化学结构使其能够与其他（相同或不同的）分子形成化学键。术语“高分子”源于希腊词汇“poly”（意为“多”）和“mer”（意为“单元”）。因此，高分子是由重复的单体单元通过共价键结合而成的长链大分子。这一过程类似于将无数单体连接成一条极长且坚固的链条——最终结构的强度取决于每个单元之间的键合强度以及链的长度（即分子量）。图1展示了PA6与PA66聚合物化学结构的示意图。

图1. a) PA6 与 b) PA66 聚合物结构示意图

1.2 均聚物与共聚物：分子设计的构筑方式

聚合物的多样性源于其分子链的构筑方式。如果一条聚合物链仅由一种单体构成，则称为均聚物——好比用单一颜色的积木搭建的链条，能提供均一但基础的材料性能。当一条分子链通过化学键结合了两种或更多不同的单体时，便形成了共聚物（其结构示意图见图2）。

通过策略性地设计单体的排列序列（无规、交替或嵌段），材料科学家能够在分子层面精细调控聚合物的韧性、分子量、耐热性和化学相容性等关键性能。这种对分子结构的精确把控，是面向具体工程挑战进行材料设计的第一步。

图2. a) PA6均聚物与b) PA612共聚物的化学结构式

1.3 聚合物与塑料：从原料化学品到工程配方

聚合物与塑料之间存在关键区别。聚合物特指基础的长链分子——即纯净的化学物质。而塑料是一种工程配方：是基础聚合物与各类添加剂经物理共混形成的复合材料。这些添加剂——如用于耐热的稳定剂、降低摩擦的润滑剂、增强强度的补强材料或着色剂等——可在聚合过程中加入原料化学品，或通过共混工艺（后聚合加工）掺入聚合物中，以满足最终应用所需的精确性能要求。在汽车部件等高要求应用中，配方设计与基础聚合物本身同等关键。

1.4 聚合反应：构建聚合物链的化学过程

将单体连接成聚合物链的化学过程称为聚合反应。该反应过程中，单体分子形成牢固的永久性共价键，从而生成具有特定分子量（如Nylacast共聚物即具备超高分子量）的大分子。对该反应机制、条件及热力学的控制，直接影响分子链的长度、结构，并最终决定所得聚合物的基本性能

2. EPS蜗轮材料的聚合物分类与选用原则

聚合物种类繁多，但对于EPS蜗轮这类与安全密切相关的工程部件，材料选择必须基于性能需求。合成聚合物主要按其热行为与分子排列进行分类。行业常用的“聚合物金字塔”框架（见图3）依据材料性能（如热学、力学性能）与成本进行分级。通常，性能越高，材料成本也相应增加。

图 3. 聚合物金字塔

在工程热塑性塑料这一关键领域中，半结晶与无定形结构的根本区别决定了材料是否适用于高负载、高精度的应用场景。对于EPS蜗轮而言，这是决定其长期可靠性的首要因素。半结晶聚合物——尤其是聚酰胺（PA）和聚甲醛（POM）家族——已成为行业明确的标准选择，而无定形聚合物则被刻意排除在外。这一决定性选择的根本原因在于分子结构与热-摩擦-力学综合性能之间的直接关联。

以下将详细阐述为何半结晶聚合物是EPS齿轮的首选，以及为何应避免使用无定形聚合物。表1总结了无定形与半结晶热塑性塑料的主要特性对比。

为何半结晶聚合物是EPS系统的工程化优选

半结晶聚合物（如聚酰胺）在EPS齿轮中的主导地位并非偶然，而是工程化选择的结果。其独特的双相微观结构——由紧密有序排列的结晶区分散在柔性无定形基体中构成——为动态高应力工况提供了理想的性能平衡。

·         卓越的机械性能：结晶区犹如天然的微观增强网络，形成内部支撑骨架，赋予材料优异的承载能力、刚度及抗磨粒磨损性能。这些特性对于确保转向扭矩在数百万次循环中稳定传递而不发生性能衰减至关重要。

·         优异的长期稳定性：有序结构使材料具备更强的抗蠕变能力（在持续负载下逐渐变形），并在宽温域内保持更稳定的尺寸精度。这保证了决定转向手感的齿轮啮合精度能够在整车生命周期内持续维持。

·         可工程化定制：半结晶聚合物的化学特性使其能与各类性能添加剂产生卓越的协同效应。通过配方精准调控——例如优化摩擦系数、提升疲劳强度或增强热稳定性——可满足不同EPS系统架构的特定需求。

相比之下，无定形聚合物完全无序的分子排列方式，使其性能特征无法满足EPS蜗轮的应用要求。

·         缺乏承载骨架：由于不存在结晶区域，无定形材料缺乏内部增强结构。在持续或循环载荷作用下，这会导致其承载能力显著不足并产生明显蠕变，长期可能引发齿轮精度与转向控制准确性的衰减。

·         耐久性与精度不足：其固有的较低刚度与耐磨性，加之受温度影响更易软化，共同削弱了尺寸稳定性。进而导致磨损率升高，并可能产生超标的运行噪声（NVH），无法满足现代EPS系统对耐久性与精细化性能的严苛标准。

表1. 无定形与半结晶聚合物的关键特性对比

3. 从科学原理到工程实践：Nylacast Automotive的核心优势

对聚合物科学的深刻理解，是Nylacast Automotive实现创新的基石。我们深知，一个成功的EPS蜗轮需要采用系统性的工程方法——即运用闭环集成的工程方法论，将先进的仿真分析、精密制造与严格验证贯穿于全流程。

3.1. 材料配方专长

在Nylacast Automotive，我们的工作始于标准材料技术数据表（TDS）所止步之处。我们专有的共聚物配方（如CF050、CF160B等）是在分子层面进行设计的，旨在优化结晶区与无定形区的比例，形成均匀、无残余应力且具有超高分子量的微观结构。相比采用市面上通用的标准PA注塑级材料，这构成了我们的根本优势。注塑成型过程中的热机械环境（高剪切与快速冷却）会影响分子量并锁入内应力，从而损害材料固有的性能潜力。

3.2. 全流程服务（FSS）理念
我们的材料科学专长已融入全流程工程服务体系。在Nylacast Automotive，我们掌控从专有共聚物合成、无应力浇铸、精密设计直至样件制作与验证的完整价值链。整个过程遵循国际标准（如VDI 2736），并依托先进的CAE工具提供支持。这种闭环管控确保了聚合物的优异性能能在最终部件中得以完全实现，从而满足最严苛的EPS应用需求。

4. 下期预告（第二部分）

在第二部分中，我们将揭示Nylacast浇铸工艺如何独特地保持并增强这一关键半结晶结构，从而提供传统注塑成型工艺无法企及的机械性能与性能一致性。