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(guò)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(shí)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。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(shuō)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(dòng)效率和使用壽命。由于人們對(duì)電動(dòng)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(lái)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(duì)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。
一、齒輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)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。齒輪軸通常設(shè)計(jì)成階梯軸，這種階梯軸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模具制作簡(jiǎn)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(duì)于二級(jí)變速器來(lái)說(shuō)，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(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)汽車底部要安裝電池，底部空間本來(lái)不足，這使得變速器的安裝更加困難。為了克服上述問(wèn)題，課題組對(duì)減速器齒輪軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
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(jì)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(guò)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(guò)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(guò)與其嚙合的大齒輪將扭矩傳遞到輸出軸，驅(qū)動(dòng)兩邊的車輪工作。中間齒輪軸設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)中間齒輪軸在熱處理過(guò)程中各臺(tái)階根部易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，課題組將中間齒輪軸各臺(tái)階根部及齒輪兩側(cè)的圓角值由原設(shè)計(jì)的 R1~R3 加大至 R5~R8，避免齒輪軸因根部圓角 R 過(guò)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(jì)的1.5×45°變?yōu)?×30°，改變的原因是原設(shè)計(jì)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(wèn)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(gè)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(rùn)滑條件，降低軸承處的溫度，提升軸承、齒輪的傳動(dòng)效率和使用壽命。
設(shè)計(jì)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)
二、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(duì)其傳動(dòng)效率和使用性能也有非常重要的影響。
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(jì)對(duì)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(guò)載作用下齒輪軸在臺(tái)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(zhǎng)大，并有良好的淬透性。
為滿足齒輪軸以上性能特點(diǎn)，對(duì)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(zhǎng)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(rùn)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(guò)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(guò)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(shí)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(shí)，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。
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(jiǎn)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(shí)，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(duì)滲碳淬火和回火工藝過(guò)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(jì)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)夥盏暮浚瑵B碳時(shí)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(duì)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(jì)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(guò)程中存在下列問(wèn)題。
1)經(jīng)過(guò)鍛造的齒輪軸在粗加工時(shí)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(guò)程中在臺(tái)階軸的臺(tái)階過(guò)渡處出現(xiàn)裂紋，造成齒輪軸在工作過(guò)程中，臺(tái)階過(guò)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(lái)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。
三、減速器齒輪軸熱處理工藝優(yōu)化措施
針對(duì)以上問(wèn)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(duì)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(wèn)題。
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(jí)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(jí)滲碳工藝;分級(jí)淬火工藝優(yōu)選為840 ℃×1 h+560 ℃×0.5 h的分級(jí)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
試樣試驗(yàn)結(jié)果及討論
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(zhǎng)率分別提高了 31.07% 和 59%。
表 1 試驗(yàn)結(jié)果
耐磨損性能試驗(yàn)檢測(cè)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 70×10-3 mm3 減小至 35×10-3 mm3 ，減小了 50%；320 ℃ 磨損體積從 200×10-3 mm3 減小至 80×10-3 mm3 ， 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(wú)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。
四、分析及結(jié)論
課題組通過(guò)對(duì) 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(guò)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(shí)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(jì)、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(jí)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(jí)滲碳工藝；840 ℃×1 h+560 ℃×0.5 h的分級(jí)淬火油冷工藝；160 ℃×1 h的低溫回火工藝。
受時(shí)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(shuō)以上的熱處理工藝還有優(yōu)化的空間。此外，分級(jí)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(duì)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)。
參考文獻(xiàn)略.