浩依:螺旋傘齒輪質(zhì)量國內(nèi)外差距與制造技術(shù)分析
1. 中國汽車弧齒錐齒輪產(chǎn)品保質(zhì)期為5~10萬公里,美國同類產(chǎn)品為160萬公里。國際市場高端產(chǎn)品140公里/時速噪聲<70分貝。我國只有個別輕型車企業(yè)具有同等水平。多數(shù)企業(yè)噪聲為70~90分貝。總體看,我國同類產(chǎn)品處于中低端水平。
2. 制造技術(shù)分析:總結(jié)我國近15年來技術(shù)創(chuàng)新的成果,參照外企的制造技術(shù),對我國汽車螺旋錐齒輪的制造技術(shù)存在的問題分析如下
1-1:齒型設(shè)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(huán)節(jié)。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(chǎn)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(shù)企業(yè)采用收縮齒,受磨齒設(shè)備產(chǎn)能限制,90%以上的產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)部分企業(yè)采用等高齒,齒輪精度7~8級,噪聲70~80分貝,其中少數(shù)企業(yè)制造技術(shù)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(shè)備產(chǎn)能限制,齒輪整體質(zhì)量能提高到中高端水平。所以,若要降低齒輪噪聲,實現(xiàn)產(chǎn)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(zhì)量水平,噪聲<60分貝;必須通過技術(shù)創(chuàng)新提高等高齒精度。
1-2:齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)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(huán)節(jié)。從動齒外徑,內(nèi)徑,厚度的優(yōu)化設(shè)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(yè)產(chǎn)品圖紙設(shè)計計算,約60%以上的設(shè)計抗翹能力低下。所以,齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是我國齒輪產(chǎn)品降低噪聲的途徑之一。
2.齒輪制造環(huán)節(jié)
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(huán)節(jié)設(shè)計的優(yōu)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(jù)調(diào)查,國內(nèi)多數(shù)企業(yè)齒胚的鍛造,等溫正火工藝優(yōu)化設(shè)計不夠理想。
2-2:齒輪切齒環(huán)節(jié):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(huán)節(jié):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(nèi)外溫差大,熱應(yīng)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(huán)節(jié):目前國內(nèi)企業(yè)用鋼量最大的鋼種是20CrMnTiH,該鋼種淬透性穩(wěn)定性差,按4HRC帶寬的高標準供貨,用戶復(fù)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(chǎn)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(huán)節(jié):嚙合精度差,會造成局部應(yīng)力集中,疲勞壽命降低。影響幅度大約相差3~5倍。N153橋齒按日產(chǎn)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(chǎn)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(huán)節(jié):中國二汽技術(shù)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(qū)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(chǎn)品壽命低下。應(yīng)該對20CrMnTiH鋼的淬透性穩(wěn)定性差進行技術(shù)攻關(guān),實現(xiàn)按4HRC淬透性帶寬的高標準供貨。中國一汽對485驅(qū)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?,F(xiàn)在我國485 驅(qū)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(shù)比較大的齒輪,淬火時芯部冷速慢,應(yīng)選用淬透能力更高的17Cr2Mn2TiH鋼材。考慮到應(yīng)減小熱處理變形,提高齒輪嚙合精度,應(yīng)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(huán)節(jié):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(shù)量相關(guān)度很高。工程院趙從業(yè)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(shù)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(huán)節(jié)。如何解決齒輪這個問題?已成為國內(nèi)外都在關(guān)注的共性問題。我公司發(fā)明的高碳勢稀土--碳共滲zhuanli技術(shù),為解決這個難題提供一個解決方案。
我公司與科研院校合作,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(nèi)氧化能力低下環(huán)節(jié):中科大,上海交大的聯(lián)合實驗證明:齒根壓應(yīng)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(yīng)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(guān)。國外高端齒輪產(chǎn)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(nèi)氧化能力低的MnCr系列齒輪鋼時,采用了低壓真空滲碳技術(shù)。當?shù)蛪赫婵諠B碳技術(shù)無法滿足大模數(shù)齒輪芯部硬度要求,被迫改用常規(guī)滲碳工藝時,在用鋼成分設(shè)計上提高抗內(nèi)氧化元素NiMo
含量,例如 歐洲廣泛應(yīng)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(guī)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(yīng)力,也減低強化壓應(yīng)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(nèi)氧化能力低的技術(shù)方案。哈工大的高碳勢稀土碳共滲zhuanli技術(shù)能解決這個難題。我公司應(yīng)用該技術(shù),用20CrMnTiH5鋼生產(chǎn)EQ153橋齒,齒根非馬組織<0.02mm。
5:齒型設(shè)計環(huán)節(jié):中國北方交大王小春教授在齒型設(shè)計方面創(chuàng)新,既吸取等高齒對裝配精度不敏感的優(yōu)點,又吸取收縮齒允許磨齒提高精度的優(yōu)點。創(chuàng)建新的齒制。該技術(shù)應(yīng)用于拖掛車驅(qū)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(zhuǎn)速10000轉(zhuǎn)/分煙機齒輪,噪聲<60分貝,超過外企質(zhì)量水平。