『精華』螺旋錐齒輪產品國內外質量水平差距與制造技術分析

2017-07-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1. 中國汽車螺旋錐齒輪產品保質期為5~10萬公里,美國同類產品為160萬公里。國際市場高端產品140公里/時速噪聲<70分貝。我國只有個別輕型車企業具有同等水平。多數企業噪聲為70~90分貝。總體看,我國同類產品處于中低端水平。

2. 制造技術分析:總結我國近15年來技術創新的成果,參照外企的制造技術,對我國汽車螺旋錐齒輪的制造技術存在的問題分析如下

齒輪噪聲太大的原因分析

1.設計環節

1-1:齒型設計對噪聲的影響:噪聲高低取決于齒輪制造精度與齒輪裝配精度兩個環節。收縮齒可以磨齒,精度高,對降低噪聲有益;但對裝配精度要求過高,大生產裝配時間有限,裝配精度不高,噪聲升高。噪聲只能達到70~80分貝。等高齒對裝配精度要求不高,因無法磨齒,要求齒輪熱前精度高,齒輪熱后”變形“小。齒輪制造難度加大;熱后精度最高只能達6級,噪聲60~70分貝。受精度限制,噪聲再降低到<60分貝已不可能。我國多數企業采用收縮齒,受磨齒設備產能限制,90%以上的產品不能磨,精度在9~10級,噪聲高達90分貝以上,與外企差距大;基本屬低端水平。10%磨齒產品精度可達4級,受裝配精度限制,噪聲70~80分貝,屬中端水平。國內部分企業采用等高齒,齒輪精度7~8級,噪聲70~80分貝,其中少數企業制造技術水平高;精度6~7級,噪聲60~70分貝,與外企水平相當。由于不存在設備產能限制,齒輪整體質量能提高到中高端水平。所以,若要降低齒輪噪聲,實現產品整體由低端升高到中高端,采用等高齒是有效途徑。若要超過外企質量水平,噪聲<60分貝;必須通過技術創新提高等高齒精度。

1-2:齒輪結構設計對噪聲的影響:從動齒相對于主動齒熱后變形大,是影響噪聲高低的主要環節。從動齒外徑,內徑,厚度的優化設計對齒輪熱后翹曲影響很大。翹曲又是影響齒輪精度的重要因素。對某企業產品圖紙設計計算,約60%以上的設計抗翹能力低下。所以,齒輪結構優化設計是我國齒輪產品降低噪聲的途徑之一。

2.齒輪制造環節

2-1:齒胚的鍛造工藝,等溫正火工藝對精度,噪聲的影響:這個環節設計的優化程度,決定了齒輪材料在滲碳過程中的高溫強度。高溫強度高,抵抗熱處理變形的能力強。實驗證明:可將從動齒翹曲減小30%左右。據調查,國內多數企業齒胚的鍛造,等溫正火工藝優化設計不夠理想。

2-2:齒輪切齒環節:因裝備水平的差異,齒輪熱前精度能達到4~5級的比例高低不一。

2-3:齒輪滲碳淬火環節:齒輪滲碳淬火油選用不當,普遍采用快速淬火油。冷速過快,零件內外溫差大,熱應力高,是齒輪變形,精度下降的主要原因。

2-1-3:齒輪用鋼材環節:目前國內企業用鋼量最大的鋼種是20CrMnTiH,該鋼種淬透性穩定性差,按4HRC帶寬的高標準供貨,用戶復檢的合格率僅約75%。國外引進鋼種的合格率在90%以上。這也是我國齒輪產品噪聲高的原因之一。

齒輪疲勞壽命太低的原因分析

1:主從動齒嚙合精度環節:嚙合精度差,會造成局部應力集中,疲勞壽命降低。影響幅度大約相差3~5倍。武漢雙駿齒輪廠N153橋齒按日產柴標準考核,提高嚙合精度后,臺架壽命從15萬次提高到50萬次。齒輪噪聲是衡量嚙合精度高低的尺度;所以,噪聲高,標志我國齒輪產品嚙合精度差,是疲勞壽命低下的重要原因之一。

2:齒輪芯部硬度控制環節:中國二汽技術中心實驗證明:齒輪芯部淬火硬度為32HRC,與芯部硬度為38HRC的驅動橋齒臺架壽命對比,前者臺架壽命僅為后者的10%。二汽目前鋼材采購20CrMnTiH鋼,標準J9=33~39HRC,鋼廠達不到35~39HRC的要求。這意味約30%的產品壽命低下。應該對20CrMnTiH鋼的淬透性穩定性差進行技術攻關,實現按4HRC淬透性帶寬的高標準供貨。中國一汽對485驅動橋齒進行臺架壽命試驗,23次試驗全部因主動齒斷,壽命沒達到標準要求。查其原因:主動齒用鋼20CrNi3H,淬透性低,齒輪芯部淬

火硬度32HRC。現在我國485 驅動橋用鋼為20CrMnTiH5, 和20CrMnTiH6,因鋼材的淬透性低,即便采用快速淬火油淬火,齒輪芯部硬度還是32HRC。此類模數比較大的齒輪,淬火時芯部冷速慢,應選用淬透能力更高的17Cr2Mn2TiH鋼材。考慮到應減小熱處理變形,提高齒輪嚙合精度,應配以分級淬火油使用。

3:齒輪表面滲碳硬化層的缺口敏感環節:超高強度,超高硬度鋼材均存在缺口敏感度高的問題。意思是這類鋼的疲勞壽命與材料表面存在的微裂紋數量相關度很高。工程院趙從業院士通過特珠的熱處理手段,解決了飛機起落架的缺口敏感問題,起落架壽命提高幾百倍。齒輪表面的滲碳硬化層同樣存在缺口敏感問題。絕大多數齒輪疲勞失效,均從硬齒面開始。是制約齒輪疲勞壽命提高的重要環節。如何解決齒輪這個問題?已成為國內外都在關注的共性問題。哈工大發明的高碳勢稀土--碳共滲專利技術,為解決這個難題提供一個解決方案。

哈工大與淮南煤礦機械廠合作,齒輪抗彎疲勞壽命與接觸疲勞壽命均大幅的提高,約5~25倍。

4:齒輪用鋼20CrMnTiH,17Cr2Mn2TiH的抗內氧化能力低下環節:中科大,無錫勇凱達齒輪廠,上海交大的聯合實驗證明:齒根壓應力高低對齒輪單齒彎曲疲勞壽命的影響幅度約100倍。齒根壓應力與齒輪滲碳淬火過程中齒根表層存在的非馬氏體組織級別有關。國外高端齒輪產品齒根非馬氏體組織<0.02mm。歐洲德國大眾為達到這個標準,當采用抗內氧化能力低的MnCr系列齒輪鋼時,采用了低壓真空滲碳技術。當低壓真空滲碳技術無法滿足大模數齒輪芯部硬度要求,被迫改用常規滲碳工藝時,在用鋼成分設計上提高抗內氧化元素NiMo

含量,例如歐洲廣泛應用的17CrNiMo6H鋼。我國為降低制造成本,全面采用CrMnTi系列齒輪鋼;但采用的是常規滲碳工藝。齒根非馬氏體組織嚴重超過0.02mm的要求。既降低起始壓應力,也減低強化壓應力。所以,擺在我們面前只有兩種選澤,要么和外企一樣,采用NiMo系列齒輪鋼,要么找出彌補CrMnTi系列齒輪鋼抗內氧化能力低的技術方案。哈工大的高碳勢稀土碳共滲專利技術能解決這個難題。哈爾濱匯龍齒輪廠應用該技術,用20CrMnTiH5鋼生產EQ153橋齒,齒根非馬組織<0.02mm。

5:齒型設計環節:中國北方交大王小春教授在齒型設計方面創新,既吸取等高齒對裝配精度不敏感的優點,又吸取收縮齒允許磨齒提高精度的優點。創建新的齒制。該技術應用于拖掛車驅動橋齒,在鋼材選用不變,熱處理工藝不變的條件下,輸出功率從40000Nm提高到50000Nm.。用于轉速10000轉/分煙機齒輪,噪聲<60分貝,超過外企質量水平。(常曙光)

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