單擋減速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)及熱處理工藝優(yōu)化研究*

尹 泉，陸元三，劉登發(fā)，廖騰輝，劉隆節(jié)

（1.湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽風(fēng)順車橋有限公司，湖南 衡陽 421001）

單擋減速器總成中的齒輪軸是汽車減速器總成中非常關(guān)鍵的零件之一。在實(shí)際工作過程中，單擋減速器齒輪軸除受到較大的扭、彎、壓、擠等交變載荷作用外，還要承受軸上齒輪、齒輪軸兩端軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時的摩擦力作用。不同的工作條件和受力形式產(chǎn)生了不同的失效模式，齒輪軸常見的失效形式有疲勞磨損、裂紋、表面點(diǎn)蝕、彎曲疲勞折斷、沖擊折斷等[1-3]。因此，齒輪軸不僅需要具有高的疲勞壽命，高的抗彎強(qiáng)度，較好的韌性，良好的耐磨性，抗多次沖擊的能力，高溫下的高強(qiáng)度，還需要具有一定的精度。換句話說就是要具備較好的力學(xué)性能，良好的加工性能以及較好的綜合機(jī)械性能。齒輪軸的性能好壞直接影響到減速器總成的傳動效率和使用壽命[4-5]。由于人們對電動汽車整車性能的要求不斷提高，作為汽車配件的減速器齒輪軸的性能要求也越來越高。齒輪軸的加工和熱處理工藝的優(yōu)化是改善金屬材料綜合性能的有效途徑。課題組針對單擋減速器總成中的齒輪軸的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝優(yōu)化展開專題研究，目的就是改善和提升齒輪軸的綜合性能，提高生產(chǎn)效率，使齒輪軸最大限度地發(fā)揮作用，從而更好地保障和提升單擋減速器總成的性能。

1 齒輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)決定了產(chǎn)品的性能和壽命，通常減速器的齒輪軸會做成齒輪和軸一體式或部分齒輪與軸一體式的，也有將齒輪和軸分開制作，加工后裝配成部件的[6-10]。齒輪軸通常設(shè)計成階梯軸，這種階梯軸具有結(jié)構(gòu)簡單、模具制作簡便、加工容易、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于軸和齒輪做成一體結(jié)構(gòu)且軸為實(shí)心軸，所以軸和齒輪的重量大，且對于二級變速器來說，變速器內(nèi)設(shè)置三根齒輪軸，這增大了變速器的空間。但是對電動汽車來說汽車底部要安裝電池，底部空間本來不足，這使得變速器的安裝更加困難。為了克服上述問題，課題組對減速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)一：在滿足其功能和性能要求的前提下，將減速器中間齒輪軸設(shè)計成空心形狀，齒輪軸中間空心部分設(shè)置內(nèi)花鍵，減速器輸入軸的外花鍵插入到中間齒輪軸的花鍵孔內(nèi)；電機(jī)輸出端輸出的扭矩通過離合機(jī)構(gòu)傳遞到變速器的輸入軸上，變速器的輸入軸將扭矩通過與其配合的內(nèi)花鍵傳遞到中間齒輪軸的齒輪上，中間齒輪軸上的齒輪再通過與其嚙合的大齒輪將扭矩傳遞到輸出軸，驅(qū)動兩邊的車輪工作。中間齒輪軸設(shè)計成空心形狀，既減輕了齒輪軸的重量，節(jié)約了材料，又減小了減速器的體積，使齒輪軸上的齒輪和軸內(nèi)部的花鍵在熱處理中的硬度更加均勻，可以減少中間齒輪軸熱處理過程中變形、內(nèi)部裂紋等不良情況的發(fā)生。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)二：針對中間齒輪軸在熱處理過程中各臺階根部易產(chǎn)生裂紋的問題，課題組將中間齒輪軸各臺階根部及齒輪兩側(cè)的圓角值由原設(shè)計的R1～R3加大至R5～R8，避免齒輪軸因根部圓角R 過小產(chǎn)生裂紋等不良現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)三：中間齒輪軸兩端的外倒角由原設(shè)計的1.5×45°變?yōu)?×30°，改變的原因是原設(shè)計的中間齒輪軸兩端的外倒角不方便安裝油封，且易損傷油封的內(nèi)部唇口；改進(jìn)后方便油封裝配，油封裝入后沒有出現(xiàn)唇口損傷等質(zhì)量問題。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)四：中間齒輪軸中間孔沿軸的軸向設(shè)置2 個以上的油孔，以利于軸內(nèi)的齒輪油與外面的齒輪油的交換，加速齒輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)中的熱量交換，改善軸上齒輪和軸兩端軸承的潤滑條件，降低軸承處的溫度，提升軸承、齒輪的傳動效率和使用壽命。

設(shè)計改進(jìn)后的單擋減速器齒輪軸剖面如圖1所示。

圖1 單擋減速器齒輪軸結(jié)構(gòu)（剖視）

2 單擋減速器齒輪軸的常規(guī)機(jī)械加工及熱處理工藝

除了軸的結(jié)構(gòu)之外，齒輪軸的材料選擇、機(jī)械加工工藝流程和熱處理工藝對其傳動效率和使用性能也有非常重要的影響。

2.1 材料選擇

汽車減速器齒輪軸的材料必須根據(jù)齒輪軸的受力情況、技術(shù)要求和工作條件進(jìn)行確定。

汽車單擋減速器齒輪軸的設(shè)計對齒輪軸有如下的性能要求。

1）表面滲碳層的深度為0.8 mm～1.2 mm，表面硬化層的深度為1.7 mm～4.0 mm，表面硬度達(dá)到HRC55以上，以保證優(yōu)良的耐磨性和接觸疲勞抗力；

2）心部硬度為HV350～420，確保齒輪軸心部具有高的韌性和足夠高的強(qiáng)度，若心部韌性不足，在沖擊載荷或過載作用下齒輪軸在臺階處的根部容易產(chǎn)生裂紋或斷裂；

3）有良好的熱處理工藝性能，在高滲碳溫度（900 ℃～950 ℃）下，奧氏體晶粒不易長大，并有良好的淬透性。

為滿足齒輪軸以上性能特點(diǎn)，對齒輪軸的材料成分有如下要求。

1）低碳，碳的含量一般為0.15%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性；

2）加入提高淬透性的合金元素，常在材料中加入如Cr、Ni、Mn、B等；

3）加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素，主要加入少量增強(qiáng)碳化物形成的元素Ti、V、W、Mo 等，形成穩(wěn)定的合金碳化物。

根據(jù)齒輪軸的性能和成分特點(diǎn)要求，齒輪軸通常選用的材料有20CrMnMo、20CrMnV、20CrMnTi、40Cr、42CrMo 等，現(xiàn)以20CrMnMo 作為單擋減速器齒輪軸試件材料進(jìn)行試驗(yàn)。該材料的化學(xué)成分如下：碳C0.17～0.23，硅Si0.17～0.37，錳Mn0.9～1.2，鉬Mo0.2～0.3，鉻Cr1.25～1.65，鎳Ni ≤0.030，銅Cu≤0.030，允許殘余硫S≤0.03，磷P≤0.03，其余為鐵Fe。這種材料適合于受中等載荷、潤滑條件較好和沖擊力一般的單擋減速器中間齒輪軸和離合器齒輪軸，還適合于汽車油泵的拉桿軸。因其經(jīng)過滲碳淬火和回火后，軸的表面硬度達(dá)到HRC55 以上，表面耐磨性也較好，其心部硬度在HV350～420 之間，20CrMnMo 鋼還具有高強(qiáng)度，高韌性，良好的淬透性，經(jīng)過熱處理后有良好的綜合機(jī)械性能，并具有較高的疲勞壽命極限和抗多次沖擊的能力。此外，20CrMnMo 鋼還具有淬火變形小等優(yōu)點(diǎn)，高溫時有高蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度，缺點(diǎn)是回火脆性大。

20CrMnMo 鋼具有以上的優(yōu)良特性，與鋼中加入的合金元素Cr、Mn、Mo 有關(guān)。Cr、Mo 能增加滲碳的濃度，提高鋼的淬透性，Cr 能促進(jìn)鋼的二次硬化，提高鋼的滲碳層硬度和耐磨性。試驗(yàn)證明，當(dāng)Cr 含量達(dá)到12%以上時，鋼具有更好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質(zhì)腐蝕的能力，20CrMnMo 鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，能在滲碳鋼中形成含鉻的碳化物，從而提高鋼表面的耐磨性；Mn 在鋼中易形成錳的氧化物，能夠快速提升鋼的強(qiáng)度和韌性，且能提升大斷面齒輪軸的淬透性和回火的穩(wěn)定性，使齒輪軸在較高的溫度下回火，能消除機(jī)械加工和鑄鍛造應(yīng)力，優(yōu)化齒輪軸的塑性和韌性。

2.2 機(jī)械加工及熱處理工藝流程

單擋減速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 單擋減速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)（外形）

用20CrMnMo 鋼制作單擋減速器齒輪軸時，其普遍采用的加工工藝路線如下：下料→鍛造→毛坯粗、半精加工→滲碳→淬火→高溫回火→齒輪高頻淬火→磨削。齒輪軸試樣在滲碳后直接出爐油淬，即淬火溫度與滲碳溫度一致。滲碳淬火和回火等熱處理工藝能大大提升了20CrMnMo 汽車減速器齒輪軸的綜合機(jī)械性能。因此，對滲碳淬火和回火工藝過程進(jìn)行優(yōu)化可以提升齒輪軸的質(zhì)量水平，從而提升單擋減速器總成和整車的性能。

1）下料。根據(jù)待生產(chǎn)軸的功能和受力情況計算出軸徑，并選擇相應(yīng)尺寸的圓鋼棒料到鋸床或切割機(jī)上切成短棒料，方便鍛打。

2）鍛造。將短棒料放入電爐中加熱到1 180℃±10 ℃，取出采用模鍛鍛打成所需要的毛坯，終鍛溫度為1 130 ℃。

3）毛坯粗、半精加工。將上一工序鍛造好的毛坯安裝到數(shù)控車床上，粗加工一端外圓及端面，半精加工外圓、內(nèi)孔及端面；再掉頭粗車另一端外圓、內(nèi)孔和端面，換刀精車另一端外圓、內(nèi)孔和端面；加工粗糙度值為Ra3.2，外圓單邊留磨量0.15 mm～0.2 mm；在滾齒機(jī)上加工齒輪。

4）滲碳淬火。將粗加工好的齒輪軸裝入箱式淬火爐內(nèi)，齒輪軸采用垂直吊掛方式裝入爐內(nèi)，將爐內(nèi)溫度加熱到925 ℃，并調(diào)整爐內(nèi)碳?xì)夥盏暮?，滲碳時間約3 h，取出用油淬火并冷卻至室溫。

5）高溫回火。將已經(jīng)淬火的齒輪軸裝入井式回火爐內(nèi)，將待處理的齒輪軸加熱至550 ℃，保溫2 h后開爐空冷至室溫。

6）齒輪高頻淬火。在高頻淬火機(jī)上對已加工好的齒輪進(jìn)行高頻淬火處理。

7）磨削。在外圓磨床上磨削加工齒輪軸的軸承擋、油封擋外圓。

改進(jìn)前的熱處理工藝圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)前的熱處理工藝圖

統(tǒng)計用戶反饋的信息，采用以上機(jī)械加工和熱處理工藝生產(chǎn)的齒輪軸在實(shí)際使用過程中存在下列問題。

1）經(jīng)過鍛造的齒輪軸在粗加工時存在表面和心部硬度不均勻的情況，刀具磨損快，易于打刀等；

2）齒輪軸在熱處理或使用過程中在臺階軸的臺階過渡處出現(xiàn)裂紋，造成齒輪軸在工作過程中，臺階過渡圓角處易出現(xiàn)裂紋或斷裂現(xiàn)象，從而縮短了齒輪的使用壽命，隱藏的裂紋不容易被發(fā)現(xiàn)，易帶來潛在的安全隱患；

3）齒輪軸的承載能力不夠，在運(yùn)行中易出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，甚至斷裂的現(xiàn)象。

3 減速器齒輪軸熱處理工藝優(yōu)化措施

針對以上問題，課題組從齒輪軸的機(jī)械加工、熱處理工藝流程方面開展分析研究，對機(jī)械加工、熱處理工藝流程和熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了上述問題。

3.1 機(jī)械加工和熱處理工藝流程的優(yōu)化措施

將原機(jī)械加工和熱處理工藝流程變更為：下料→鍛造→正火→毛坯粗、半精加工→制齒→滲碳→分級淬火→低溫回火→齒輪高頻淬火→精磨。正火工藝優(yōu)選為870 ℃×35 min后空冷的快速正火處理；滲碳工藝優(yōu)選為925 ℃×2 h+850 ℃×1 h的分級滲碳工藝；分級淬火工藝優(yōu)選為840 ℃×1 h+560 ℃×0.5 h的分級淬火油冷工藝；低溫回火工藝優(yōu)選為160 ℃×1 h的低溫回火空冷工藝。改進(jìn)后的熱處理工藝圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的熱處理工藝圖

3.2 試樣試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從表中可看出，與改進(jìn)前熱處理工藝相比，采用改進(jìn)后的熱處理工藝后的單擋減速器齒輪軸在25 ℃和320 ℃兩種不同的條件下，其熱處理后表面滲碳層的組織為合金滲碳體+回火馬氏體+少量殘余奧氏體組織，抗拉強(qiáng)度分別提高了8%和42.96%，其屈服強(qiáng)度分別提高了7.76%和64.97%，拉斷后伸長率分別提高了31.07%和59%。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 耐磨損性能試驗(yàn)檢測結(jié)果

采用改進(jìn)的熱處理工藝后，20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸的磨損體積減小，20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸的耐磨損性能得到明顯提高。將其與改進(jìn)前熱處理工藝相比，采用改進(jìn)的熱處理工藝后的20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸25 ℃磨損體積從70×10-3mm3減小至35×10-3mm3，減小了50%；320℃磨損體積從200×10-3mm3減小至80×10-3mm3，減小了60%。此外，采用未改進(jìn)的熱處理工藝的20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸在320 ℃磨損試驗(yàn)后，表面出現(xiàn)較多的起皮、脫落現(xiàn)象，磨損較為嚴(yán)重。采用改進(jìn)的熱處理工藝后的20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸在320 ℃磨損試驗(yàn)后，表面無明顯的起皮、脫落現(xiàn)象，僅有細(xì)小的磨痕；與采用改進(jìn)前熱處理工藝的試樣相比，磨損量明顯減少。由此可以看出，改進(jìn)的熱處理工藝使得20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸的耐磨損性能得到明顯提高。

4 分析及結(jié)論

課題組通過對20CrMnMo 汽車單擋速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，機(jī)械加工與熱處理工藝流程的優(yōu)化，熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)選，使得20CrMnMo 在經(jīng)過正火、滲碳淬火、低溫回火后獲得的顯微組織表面為細(xì)馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，心部組織為回火索氏體。改高溫回火為低溫回火，既能消除淬火時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，又能降低鋼的脆性，防止齒輪軸的變形和開裂，調(diào)整了軸的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性，并穩(wěn)定了鋼中的顯微組織和工件尺寸，使其達(dá)到了使用性能和工藝要求，為單擋減速器齒輪軸的設(shè)計、制造加工提供了科學(xué)合理的工藝方案。研究結(jié)果如下。

1）單擋減速器齒輪軸最佳結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2）齒輪軸機(jī)械加工和熱處理的最佳工藝流程：下料→鍛造→正火→毛坯粗、半精加工→制齒→滲碳→分級淬火→低溫回火→齒輪高頻淬火→精磨。得出齒輪軸最佳熱處理工藝參數(shù)。

3）熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)選：870 ℃×35 min后空冷的正火處理，925 ℃×2 h+850 ℃×1 h的分級滲碳工藝；840 ℃×1 h+560 ℃×0.5 h的分級淬火油冷工藝；160 ℃×1 h的低溫回火工藝。

受時間和成本等因素的制約，以上熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化只選取了一些特殊點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)范圍存在一定的局限性，也就是說以上的熱處理工藝還有優(yōu)化的空間。此外，分級淬火的冷卻液可以選用乳化液代替油淬，以降低材料成本并減少油淬對環(huán)境的污染。這兩點(diǎn)可以在今后的研究中進(jìn)一步探索改進(jìn)。