淺談熱處理技術(shù)在汽車變速器領(lǐng)域的運(yùn)用

葉可

（重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 璧山 402761）

淺談熱處理技術(shù)在汽車變速器領(lǐng)域的運(yùn)用

葉可

（重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 璧山 402761）

就汽車變速器存在的異響與噪音問題展開了闡述，分析了熱處理技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用，并指出國內(nèi)廠家應(yīng)順應(yīng)自動(dòng)化、零件精細(xì)化和結(jié)構(gòu)無縫化的汽車變速器的發(fā)展趨勢，吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，把握好市場需求。

汽車變速器；熱處理技術(shù)；運(yùn)用；發(fā)展趨勢

變速器作為核心部件之一，一直以來是汽車生產(chǎn)領(lǐng)域的重中之重。隨著科技的進(jìn)步，變速器的生產(chǎn)加工技術(shù)雖然得到了極大的發(fā)展，然而仍存在著許多不足之處，值得繼續(xù)展開進(jìn)一步的探討。

1 汽車變速器的現(xiàn)狀

汽車變速器常見的有以下數(shù)種：手動(dòng)變速器（MT）、液力自動(dòng)變速器（AT）、機(jī)械無級自動(dòng)變速器（CVT）、電控機(jī)械自動(dòng)變速器（AMT）、雙離合器變速器（DSG）。目前應(yīng)用最廣泛的是AT，幾乎成為自動(dòng)變速器的代名詞。然而不管是哪種變速器，異響和噪音問題，始終困擾著變速器生產(chǎn)廠家和廣大的汽車駕駛?cè)恕?/p>

1.1 作用和運(yùn)作原理

機(jī)械式變速箱，主要應(yīng)用了齒輪傳動(dòng)的降速原理。簡單地說，變速箱內(nèi)有多組傳動(dòng)比不同的齒輪副，而汽車行駛時(shí)的換檔行為，也就是通過操縱機(jī)構(gòu)，使變速箱內(nèi)不同的齒輪副工作。如在低速時(shí)，讓傳動(dòng)比大的齒輪副工作；而在高速時(shí)，讓傳動(dòng)比小的齒輪副工作。

1.2 異響噪音問題的傳統(tǒng)解決方法

汽車變速器的異響和噪音問題，一直是汽車變速器的“頑疾”之一，特別就講究舒適的轎車而言，異響和噪音不僅僅是尷尬和令人心煩意亂的響聲，更是變速器存在著不必要的物理上的摩擦和碰撞，對變速器的運(yùn)作功率與零件壽命，乃至整車的油耗都有影響。

（1）異響與噪音的產(chǎn)生。常年開車的司機(jī)朋友在駕駛過程中，肯定聽到過“腳下”也就是離合器下部的類似于“咔嗒、咔嗒”的響聲，這些響聲就是由變速器發(fā)出來的。通常情況下，這種異響可分為兩種：即空檔異響和驅(qū)動(dòng)異響。

一般來說，空檔異響，一般是由發(fā)動(dòng)機(jī)角速度變化，引起變速器第一軸花鍵和嚙齒合狀態(tài)的所有齒輪在空檔都未承載，因而都有可能成為空檔異響的聲源。驅(qū)動(dòng)異響，就是由內(nèi)部構(gòu)造因素所產(chǎn)生的。

（2）異響與噪音的解決。傳統(tǒng)解決異響噪音的方法有很多，但仍然有許多不足。

其一，改變變速器的慣量。重新布置變速器內(nèi)零件，以減小轉(zhuǎn)換到嚙合齒輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但這樣的改動(dòng)，對變速器本身性能有較大的影響。

其二，減小齒輪副的側(cè)隙。這是最理想的辦法，但由于當(dāng)今技術(shù)限制，無法做到減小側(cè)隙的同時(shí)，保證齒輪圓滑的運(yùn)轉(zhuǎn)。

其三，改善箱體的震動(dòng)特性。如箱體的形狀，壁厚，材質(zhì)等，改善箱體的震動(dòng)特性，從而降低變速器的異常噪聲。此種方法成本較高，而效果較小。

其四，增加拖拽阻力。增加拖拽阻力能有效地改善異常噪聲，但需要控制和提高潤滑油的粘度，但在高溫下，潤滑油的粘度會(huì)降低，作用減弱，故此種方法對潤滑油的性能依賴較大[1]。

2 熱處理技術(shù)在減噪與減變形方面的運(yùn)用

隨著我國轎車工業(yè)的快速發(fā)展，對變速器不斷提出更高的要求，而影響變速箱噪音和傳動(dòng)效率的主要因素，就是齒輪的制造精度及制造工藝。采用先進(jìn)的齒輪制造技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，是提高齒輪加工品質(zhì)、解決齒輪降噪難題的有效捷徑。

由于資金的制約，目前國內(nèi)齒輪加工企業(yè)，還不能完全擁有國際一流的技術(shù)和設(shè)備。基于變速器的結(jié)構(gòu)和原理，通過熱處理技術(shù)，可以達(dá)到減少變形和減噪的效果。

2.1 滲碳技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前，汽車齒輪生產(chǎn)以滲碳（碳氮共滲）為主。雖然早期的滲碳采用液氰化，對環(huán)境有一定的污染，但是其效果還是不錯(cuò)的，現(xiàn)今開發(fā)出了無毒的氣體滲碳（碳氮共滲）工藝來取代。

就汽車變速器齒輪加工而言，滲碳淬火時(shí)對淬透性有著一定的要求。過低，就容易導(dǎo)致變速器產(chǎn)生變形，在變速器材料熱處理進(jìn)程中，防止鋼的內(nèi)氧化和非馬氏體組織降低齒輪的韌性，而保證變速器在生產(chǎn)過程中的品質(zhì)，從而延長變速器的使用壽命。目前大多數(shù)滲碳設(shè)備，均已實(shí)現(xiàn)了碳勢自動(dòng)控制，產(chǎn)品品質(zhì)的檢測，已與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，即全面采用硬度法測量有效硬化層深。

由于連續(xù)氣體滲碳爐生產(chǎn)效率高，能耗低，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，許多企業(yè)紛紛將井式爐淘汰，改用連續(xù)爐或密封箱式爐生產(chǎn)。由于使用全智能化的生產(chǎn)模式，大大降低了人工所產(chǎn)生的失誤率，生產(chǎn)的形變齒輪得到減少。

且1990年一汽通過試驗(yàn)，采用500℃預(yù)氧化工藝，成功地解決了連續(xù)式滲碳爐中存在有滲碳不均問題，大大提高了滲碳層的均勻性，齒輪的韌性提高了，在淬煉時(shí)形變的可能性也大大降低了。

氣態(tài)的滲碳（碳氮共滲）工藝與連續(xù)爐、密封箱式爐被引進(jìn)后，操作空間大，使加熱、保溫、冷卻這3個(gè)過程過度更為平滑，變速器齒輪品質(zhì)的改進(jìn)，使得性能上有所改善，在減噪方面，也有了長足的進(jìn)步，有效地提高了齒輪運(yùn)作效率，減弱噪音異響[2]。

20CrMnTi作為一種滲碳常用齒輪材料，變速器齒輪預(yù)先熱處理工藝的成功運(yùn)用，為20CrMnTi變速器齒輪變形和降噪做出很大貢獻(xiàn)。為了預(yù)防淬透性較高的鋼產(chǎn)生貝氏體組織，而采用等溫正火工藝進(jìn)行預(yù)先熱處理，當(dāng)?shù)葴販囟饶軌虮３衷?60～650℃的范圍以內(nèi)，才能去大批量的生產(chǎn)，通過預(yù)先熱處理后，齒坯就有了硬度（160～180 HB）和十分均勻的組織。這項(xiàng)技術(shù)能夠有效地減少齒輪的滲碳淬火變形，以降低車輛運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的噪音。而且該工藝設(shè)備簡單，耗能少，工藝要求不高，所以該技術(shù)應(yīng)用推廣比較廣泛。

20CrMnTi變速器表面的硬化技術(shù)，一般采用滲碳工藝。而滲碳工藝主要就是氣體滲碳，現(xiàn)如今已經(jīng)可以用計(jì)算機(jī)來控制表面硬度和滲碳深度了，此項(xiàng)應(yīng)用，能夠讓產(chǎn)品達(dá)到最佳的滲碳層深度和最小的變形。滲碳工藝能大大加強(qiáng)其使用壽命，最近對滲碳工藝的發(fā)展加強(qiáng)，又使得齒輪畸變情況減少，也為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本。

2.2 滲氮（氮碳共滲）的應(yīng)用

20世紀(jì)制造技術(shù)中最精彩的篇章之一，是汽車變速器滲碳淬火齒輪制造技術(shù)及其系統(tǒng)。但是硬化技術(shù)發(fā)展到今天，可滿足汽車齒輪承載能力要求的熱處理工藝，已不只有滲碳淬火一種了。

從高強(qiáng)度滲氮齒輪制造技術(shù)的誕生至今，已開始逐步走向成熟。在這種情況下，下個(gè)世紀(jì)的汽車齒輪生產(chǎn)工藝，有了新的選擇機(jī)會(huì)。長期以來，滲碳淬火齒輪的熱后精度，是依靠熱前的精度儲(chǔ)備來保證的，這顯然是不合理的。隨著市場對高品質(zhì)齒輪的渴望，以及生產(chǎn)廠不情愿采用昂貴的磨齒工藝，加之進(jìn)一步減小滲碳齒輪的熱處理變形，已十分困難。為了降低成本，減少能源和資源消耗，保護(hù)環(huán)境，改善熱處理的作業(yè)方式和作業(yè)環(huán)境，此時(shí)滲氮齒輪變形微小的優(yōu)勢，就愈顯得可貴了，使6～7級精度的齒輪生產(chǎn)不再是遠(yuǎn)景規(guī)劃。因此，這一傳統(tǒng)工藝已獲得了良好的發(fā)展契機(jī)。

由于滲氮及氮碳共滲工藝處理溫度低，具有變形小、顯著提高鋼件耐磨性和抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)，在材料選擇正確、預(yù)處理得當(dāng)與受力適中的前提下，滲氮齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度優(yōu)于滲碳淬火齒輪，接觸疲勞強(qiáng)度則與滲碳淬火齒輪的水平相當(dāng)。因此，我們討論采用滲氮及氮碳共滲工藝的應(yīng)用，條件已經(jīng)成熟。

變速器齒輪的齒根強(qiáng)度極為重要，無論是短時(shí)壽命，或是疲勞極限的高低，都是對材料的重要評價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，滲氮齒輪的齒根強(qiáng)度，可與滲碳淬火齒輪相媲美。齒根疲勞強(qiáng)度極限有希望突破σH500MPa。

在進(jìn)行的滲氮齒輪的齒面過載能力試驗(yàn)中，小齒輪循環(huán)次數(shù)超過5×107時(shí)的齒面情況是，齒面完好。小齒輪在σH2 545MPa下運(yùn)轉(zhuǎn)2.6×107轉(zhuǎn)后的齒面情況，絕大部分齒面光亮如鏡?？梢钥闯觯湓谌绱烁叩慕佑|應(yīng)力上，依然有上述的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，已超出人們的預(yù)料[3]。

隨著熱處理技術(shù)的發(fā)展，為保證氮碳共滲的品質(zhì)，通過使用監(jiān)測滲氮效果的傳感器，以保證滲氮品質(zhì)的穩(wěn)定和生產(chǎn)自動(dòng)化。

同時(shí)，滲氮（氮碳共滲）也涌現(xiàn)出眾多新工藝：稀土氮碳共滲，合金化氮化，加壓氮碳共滲等，這將有助于滲氮（氮碳共滲）應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。以日本為例，氮碳共滲，占了化學(xué)熱處理市場總量的30%?？梢灶A(yù)見，滲氮（氮碳共滲）技術(shù)將越來越受到重視，并在汽車變速器零件的生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用。

2.3 納米技術(shù)的研究應(yīng)用

隨著熱處理技術(shù)的不斷發(fā)展，降低處理溫度、提高滲速，是國內(nèi)外同行追求的目標(biāo)。較高的處理溫度，容易使材料基體在整個(gè)熱處理過程中發(fā)生高溫退火，從而導(dǎo)致基體性能下降，而且對于精密的工件，則不利于保持其原有的形狀和尺寸。為了增加硬度值，一般通過提高溫度來達(dá)到，然而溫度升高容易使工件變形，尺寸精確度不高。能克服以上不足，對于變速器齒輪也具有非常重要的意義。納米化技術(shù)在熱處理的應(yīng)用，為我們提供了一個(gè)可行的好方法。

眾所周知，納米材料具有高體積分?jǐn)?shù)的晶界，而晶界是原子特別是化學(xué)熱處理過程中滲入元素的擴(kuò)散通道，這也是低溫滲氮得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。近年來關(guān)于納米技術(shù)在熱處理生產(chǎn)中的研究，也越來越多，金屬材料表面納米化，能夠顯著降低處理溫度，滲層的硬度和耐磨性均得到較大提高。

據(jù)資料介紹，通過表面增壓噴丸處理，在35鋼表面形成了厚40μm的納米晶層，對具有納米晶層的試樣進(jìn)行氣體軟氮化。結(jié)果表明：經(jīng)過增壓噴丸處理的試樣，化合物層厚度大約為原始試樣的2倍，軟氮化時(shí)間可由10 h縮短為3 h，滲層硬度也有明顯的提高[4]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，采用表面機(jī)械研磨處理（SMAT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了38CrMoAl鋼的表面納米化，并對表面納米化后的樣品進(jìn)行了490℃離子氮碳共滲，產(chǎn)生約60μm的強(qiáng)塑性變形層。這種處理，能夠使樣品表面硬度達(dá)到1 200HV左右，在強(qiáng)塑性變形層范圍內(nèi)的硬度值，仍然很高，分布也較平緩，在約50μm處硬度值還能達(dá)到800HV以上[5]。

因此，納米技術(shù)的研究開發(fā)，將對熱處理技術(shù)的發(fā)展，起到重要推動(dòng)作用。通過對納米技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，逐步推動(dòng)其在熱處理生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，使熱處理技術(shù)在零件追求最小畸變和最優(yōu)性能方面，發(fā)揮更大作用。

3 汽車變速器發(fā)展的主流趨勢

綜上所述，在現(xiàn)階段以及未來一段時(shí)間內(nèi)，汽車變速器的主流趨勢，將向著降低噪音、高品質(zhì)、低耗能、環(huán)保、自動(dòng)智能化方面發(fā)展。

在這個(gè)信息時(shí)代，自動(dòng)化和智能化方面，人們開始聯(lián)想到了計(jì)算機(jī)。齒輪熱處理技術(shù)，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使熱處理生產(chǎn)管理、工藝工程控制、工藝設(shè)計(jì)與品質(zhì)預(yù)測分析，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化。

在未來的更遠(yuǎn)，能源的逐漸枯竭，為使原材料上的節(jié)省，技術(shù)上的把關(guān)會(huì)受到更高的重視，防止生產(chǎn)過程中的形變，將是重要的一環(huán)。節(jié)能，必將成為熱處理技術(shù)將來的發(fā)展道路上第一個(gè)需要解決的問題。

另外，熱處理技術(shù)的改進(jìn)，對齒輪成本和性能起著舉足輕重的作用。

可以預(yù)見，大幅度提高齒輪精度，降低噪聲和生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境以及實(shí)現(xiàn)熱處理作業(yè)的柔性化、智能化、自動(dòng)化，已不是紙上談兵。同時(shí)，這一工作也將促進(jìn)齒輪加工工藝、齒輪機(jī)床、齒輪刀具與熱處理技術(shù)的交互發(fā)展。

4 結(jié)束語

總而言之，隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及消費(fèi)者對汽車品質(zhì)越來越高的要求，傳統(tǒng)的熱處理工藝在汽車變速器上的運(yùn)用，會(huì)進(jìn)一步深入和廣泛。如低壓真空滲碳高壓氣淬熱處理技術(shù)和電腦數(shù)控與工業(yè)爐的結(jié)合等新型熱處理技術(shù)，也逐步進(jìn)入汽車變速器領(lǐng)域；齒輪滲碳工藝向幾方面分化，深層滲碳向高溫離子（或真空）滲碳發(fā)展，稀土催滲向常規(guī)滲碳的滲透，淺層滲碳向低溫化學(xué)熱處理轉(zhuǎn)化。

將來汽車變速器的發(fā)展趨勢，總體上是朝著自動(dòng)化、零件精細(xì)化和結(jié)構(gòu)無縫化發(fā)展的，國內(nèi)汽車變速器廠家，應(yīng)該順應(yīng)這個(gè)趨勢，吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，力求科學(xué)技術(shù)對生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化功率，有效地節(jié)約成本，提高品質(zhì)，把握市場，做到最好。

[1]郝金順.汽車變速器的發(fā)展[J].北京汽車，2005，4(15)：49-50.

[2]胡朝峰.汽車變速器技術(shù)的發(fā)展與展望[J].汽車研究與開發(fā)，2005，5(15)：15-17.

[3]張?jiān)?變速器滲氮齒輪制造技術(shù)的研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，1998，（4）：23-30.

[4]陳磊.35鋼表面增壓噴丸納米化對氣體軟氮化的影響[J].材料熱處理技術(shù)，2009，38（22）：130-132.

[5]王麗梅.表面納米化38CrMoAl鋼的低溫離子氮碳共滲[J].納米加工工藝，2007，（5）：42-44.

Discussion of Heat Treatment Technology on Automobile Transm ission App lication

YEKe
（Chongqing Tsingshan IndustrialCo.，Ltd.，Bishan Chongqing 402761，China）

The automobile transmission exists abnormal sound and noise problems,expounds,analysis of the heat treatment technology in the field of application,and points out that domestic manufacturers should conform to the automation,parts of refinement and seamless structure of automobile transmission development tendency,absorbing domestic and foreign advanced technology,a good grasp ofmarketdemand.

automobile gearbox；heat treatment technology；application；development trend

G643

A

1672-545X（2013）03-0252-03

2012-12-06

葉 可（1978—）男，重慶璧山人，大專學(xué)歷，主要從事汽車變速器熱處理生產(chǎn)工作。