『精华』螺旋锥齿轮产品国内外质量水平差距与制造技术分析

2017-07-05 by:CAE仿真在线来源:互联网

1. 中国汽车螺旋锥齿轮产品保质期为5~10万公里,美国同类产品为160万公里。国际市场高端产品140公里/时速噪声<70分贝。我国只有个别轻型车企业具有同等水平。多数企业噪声为70~90分贝。总体看,我国同类产品处于中低端水平。

2. 制造技术分析:总结我国近15年来技术创新的成果,参照外企的制造技术,对我国汽车螺旋锥齿轮的制造技术存在的问题分析如下

齿轮噪声太大的原因分析

1.设计环节

1-1:齿型设计对噪声的影响:噪声高低取决于齿轮制造精度与齿轮装配精度两个环节。收缩齿可以磨齿,精度高,对降低噪声有益;但对装配精度要求过高,大生产装配时间有限,装配精度不高,噪声升高。噪声只能达到70~80分贝。等高齿对装配精度要求不高,因无法磨齿,要求齿轮热前精度高,齿轮热后”变形“小。齿轮制造难度加大;热后精度最高只能达6级,噪声60~70分贝。受精度限制,噪声再降低到<60分贝已不可能。我国多数企业采用收缩齿,受磨齿设备产能限制,90%以上的产品不能磨,精度在9~10级,噪声高达90分贝以上,与外企差距大;基本属低端水平。10%磨齿产品精度可达4级,受装配精度限制,噪声70~80分贝,属中端水平。国内部分企业采用等高齿,齿轮精度7~8级,噪声70~80分贝,其中少数企业制造技术水平高;精度6~7级,噪声60~70分贝,与外企水平相当。由于不存在设备产能限制,齿轮整体质量能提高到中高端水平。所以,若要降低齿轮噪声,实现产品整体由低端升高到中高端,采用等高齿是有效途径。若要超过外企质量水平,噪声<60分贝;必须通过技术创新提高等高齿精度。

1-2:齿轮结构设计对噪声的影响:从动齿相对于主动齿热后变形大,是影响噪声高低的主要环节。从动齿外径,内径,厚度的优化设计对齿轮热后翘曲影响很大。翘曲又是影响齿轮精度的重要因素。对某企业产品图纸设计计算,约60%以上的设计抗翘能力低下。所以,齿轮结构优化设计是我国齿轮产品降低噪声的途径之一。

2.齿轮制造环节

2-1:齿胚的锻造工艺,等温正火工艺对精度,噪声的影响:这个环节设计的优化程度,决定了齿轮材料在渗碳过程中的高温强度。高温强度高,抵抗热处理变形的能力强。实验证明:可将从动齿翘曲减小30%左右。据调查,国内多数企业齿胚的锻造,等温正火工艺优化设计不够理想。

2-2:齿轮切齿环节:因装备水平的差异,齿轮热前精度能达到4~5级的比例高低不一。

2-3:齿轮渗碳淬火环节:齿轮渗碳淬火油选用不当,普遍采用快速淬火油。冷速过快,零件内外温差大,热应力高,是齿轮变形,精度下降的主要原因。

2-1-3:齿轮用钢材环节:目前国内企业用钢量最大的钢种是20CrMnTiH,该钢种淬透性稳定性差,按4HRC带宽的高标准供货,用户复检的合格率仅约75%。国外引进钢种的合格率在90%以上。这也是我国齿轮产品噪声高的原因之一。

齿轮疲劳寿命太低的原因分析

1:主从动齿啮合精度环节:啮合精度差,会造成局部应力集中,疲劳寿命降低。影响幅度大约相差3~5倍。武汉双骏齿轮厂N153桥齿按日产柴标准考核,提高啮合精度后,台架寿命从15万次提高到50万次。齿轮噪声是衡量啮合精度高低的尺度;所以,噪声高,标志我国齿轮产品啮合精度差,是疲劳寿命低下的重要原因之一。

2:齿轮芯部硬度控制环节:中国二汽技术中心实验证明:齿轮芯部淬火硬度为32HRC,与芯部硬度为38HRC的驱动桥齿台架寿命对比,前者台架寿命仅为后者的10%。二汽目前钢材采购20CrMnTiH钢,标准J9=33~39HRC,钢厂达不到35~39HRC的要求。这意味约30%的产品寿命低下。应该对20CrMnTiH钢的淬透性稳定性差进行技术攻关,实现按4HRC淬透性带宽的高标准供货。中国一汽对485驱动桥齿进行台架寿命试验,23次试验全部因主动齿断,寿命没达到标准要求。查其原因:主动齿用钢20CrNi3H,淬透性低,齿轮芯部淬

火硬度32HRC。现在我国485 驱动桥用钢为20CrMnTiH5, 和20CrMnTiH6,因钢材的淬透性低,即便采用快速淬火油淬火,齿轮芯部硬度还是32HRC。此类模数比较大的齿轮,淬火时芯部冷速慢,应选用淬透能力更高的17Cr2Mn2TiH钢材。考虑到应减小热处理变形,提高齿轮啮合精度,应配以分级淬火油使用。

3:齿轮表面渗碳硬化层的缺口敏感环节:超高强度,超高硬度钢材均存在缺口敏感度高的问题。意思是这类钢的疲劳寿命与材料表面存在的微裂纹数量相关度很高。工程院赵从业院士通过特珠的热处理手段,解决了飞机起落架的缺口敏感问题,起落架寿命提高几百倍。齿轮表面的渗碳硬化层同样存在缺口敏感问题。绝大多数齿轮疲劳失效,均从硬齿面开始。是制约齿轮疲劳寿命提高的重要环节。如何解决齿轮这个问题?已成为国内外都在关注的共性问题。哈工大发明的高碳势稀土--碳共渗专利技术,为解决这个难题提供一个解决方案。

哈工大与淮南煤矿机械厂合作,齿轮抗弯疲劳寿命与接触疲劳寿命均大幅的提高,约5~25倍。

4:齿轮用钢20CrMnTiH,17Cr2Mn2TiH的抗内氧化能力低下环节:中科大,无锡勇凯达齿轮厂,上海交大的联合实验证明:齿根压应力高低对齿轮单齿弯曲疲劳寿命的影响幅度约100倍。齿根压应力与齿轮渗碳淬火过程中齿根表层存在的非马氏体组织级别有关。国外高端齿轮产品齿根非马氏体组织<0.02mm。欧洲德国大众为达到这个标准,当采用抗内氧化能力低的MnCr系列齿轮钢时,采用了低压真空渗碳技术。当低压真空渗碳技术无法满足大模数齿轮芯部硬度要求,被迫改用常规渗碳工艺时,在用钢成分设计上提高抗内氧化元素NiMo

含量,例如欧洲广泛应用的17CrNiMo6H钢。我国为降低制造成本,全面采用CrMnTi系列齿轮钢;但采用的是常规渗碳工艺。齿根非马氏体组织严重超过0.02mm的要求。既降低起始压应力,也减低强化压应力。所以,摆在我们面前只有两种选泽,要么和外企一样,采用NiMo系列齿轮钢,要么找出弥补CrMnTi系列齿轮钢抗内氧化能力低的技术方案。哈工大的高碳势稀土碳共渗专利技术能解决这个难题。哈尔滨汇龙齿轮厂应用该技术,用20CrMnTiH5钢生产EQ153桥齿,齿根非马组织<0.02mm。

5:齿型设计环节:中国北方交大王小春教授在齿型设计方面创新,既吸取等高齿对装配精度不敏感的优点,又吸取收缩齿允许磨齿提高精度的优点。创建新的齿制。该技术应用于拖挂车驱动桥齿,在钢材选用不变,热处理工艺不变的条件下,输出功率从40000Nm提高到50000Nm.。用于转速10000转/分烟机齿轮,噪声<60分贝,超过外企质量水平。(常曙光)

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