淺談熱處理技術在汽車變速器領域的運用

葉可

（重慶青山工業有限責任公司，重慶 璧山 402761）

淺談熱處理技術在汽車變速器領域的運用

葉可

（重慶青山工業有限責任公司，重慶 璧山 402761）

就汽車變速器存在的異響與噪音問題展開了闡述，分析了熱處理技術在該領域的應用，并指出國內廠家應順應自動化、零件精細化和結構無縫化的汽車變速器的發展趨勢，吸收國內外先進技術，把握好市場需求。

汽車變速器；熱處理技術；運用；發展趨勢

變速器作為核心部件之一，一直以來是汽車生產領域的重中之重。隨著科技的進步，變速器的生產加工技術雖然得到了極大的發展，然而仍存在著許多不足之處，值得繼續展開進一步的探討。

1 汽車變速器的現狀

汽車變速器常見的有以下數種：手動變速器（MT）、液力自動變速器（AT）、機械無級自動變速器（CVT）、電控機械自動變速器（AMT）、雙離合器變速器（DSG）。目前應用最廣泛的是AT，幾乎成為自動變速器的代名詞。然而不管是哪種變速器，異響和噪音問題，始終困擾著變速器生產廠家和廣大的汽車駕駛人。

1.1 作用和運作原理

機械式變速箱，主要應用了齒輪傳動的降速原理。簡單地說，變速箱內有多組傳動比不同的齒輪副，而汽車行駛時的換檔行為，也就是通過操縱機構，使變速箱內不同的齒輪副工作。如在低速時，讓傳動比大的齒輪副工作；而在高速時，讓傳動比小的齒輪副工作。

1.2 異響噪音問題的傳統解決方法

汽車變速器的異響和噪音問題，一直是汽車變速器的“頑疾”之一，特別就講究舒適的轎車而言，異響和噪音不僅僅是尷尬和令人心煩意亂的響聲，更是變速器存在著不必要的物理上的摩擦和碰撞，對變速器的運作功率與零件壽命，乃至整車的油耗都有影響。

（1）異響與噪音的產生。常年開車的司機朋友在駕駛過程中，肯定聽到過“腳下”也就是離合器下部的類似于“咔嗒、咔嗒”的響聲，這些響聲就是由變速器發出來的。通常情況下，這種異響可分為兩種：即空檔異響和驅動異響。

一般來說，空檔異響，一般是由發動機角速度變化，引起變速器第一軸花鍵和嚙齒合狀態的所有齒輪在空檔都未承載，因而都有可能成為空檔異響的聲源。驅動異響，就是由內部構造因素所產生的。

（2）異響與噪音的解決。傳統解決異響噪音的方法有很多，但仍然有許多不足。

其一，改變變速器的慣量。重新布置變速器內零件，以減小轉換到嚙合齒輪上的轉動慣量。但這樣的改動，對變速器本身性能有較大的影響。

其二，減小齒輪副的側隙。這是最理想的辦法，但由于當今技術限制，無法做到減小側隙的同時，保證齒輪圓滑的運轉。

其三，改善箱體的震動特性。如箱體的形狀，壁厚，材質等，改善箱體的震動特性，從而降低變速器的異常噪聲。此種方法成本較高，而效果較小。

其四，增加拖拽阻力。增加拖拽阻力能有效地改善異常噪聲，但需要控制和提高潤滑油的粘度，但在高溫下，潤滑油的粘度會降低，作用減弱，故此種方法對潤滑油的性能依賴較大[1]。

2 熱處理技術在減噪與減變形方面的運用

隨著我國轎車工業的快速發展，對變速器不斷提出更高的要求，而影響變速箱噪音和傳動效率的主要因素，就是齒輪的制造精度及制造工藝。采用先進的齒輪制造技術和現代數控機床，是提高齒輪加工品質、解決齒輪降噪難題的有效捷徑。

由于資金的制約，目前國內齒輪加工企業，還不能完全擁有國際一流的技術和設備。基于變速器的結構和原理，通過熱處理技術，可以達到減少變形和減噪的效果。

2.1 滲碳技術的應用

當前，汽車齒輪生產以滲碳（碳氮共滲）為主。雖然早期的滲碳采用液氰化，對環境有一定的污染，但是其效果還是不錯的，現今開發出了無毒的氣體滲碳（碳氮共滲）工藝來取代。

就汽車變速器齒輪加工而言，滲碳淬火時對淬透性有著一定的要求。過低，就容易導致變速器產生變形，在變速器材料熱處理進程中，防止鋼的內氧化和非馬氏體組織降低齒輪的韌性，而保證變速器在生產過程中的品質，從而延長變速器的使用壽命。目前大多數滲碳設備，均已實現了碳勢自動控制，產品品質的檢測，已與國際標準接軌，即全面采用硬度法測量有效硬化層深。

由于連續氣體滲碳爐生產效率高，能耗低，產品品質穩定，許多企業紛紛將井式爐淘汰，改用連續爐或密封箱式爐生產。由于使用全智能化的生產模式，大大降低了人工所產生的失誤率，生產的形變齒輪得到減少。

且1990年一汽通過試驗，采用500℃預氧化工藝，成功地解決了連續式滲碳爐中存在有滲碳不均問題，大大提高了滲碳層的均勻性，齒輪的韌性提高了，在淬煉時形變的可能性也大大降低了。

氣態的滲碳（碳氮共滲）工藝與連續爐、密封箱式爐被引進后，操作空間大，使加熱、保溫、冷卻這3個過程過度更為平滑，變速器齒輪品質的改進，使得性能上有所改善，在減噪方面，也有了長足的進步，有效地提高了齒輪運作效率，減弱噪音異響[2]。

20CrMnTi作為一種滲碳常用齒輪材料，變速器齒輪預先熱處理工藝的成功運用，為20CrMnTi變速器齒輪變形和降噪做出很大貢獻。為了預防淬透性較高的鋼產生貝氏體組織，而采用等溫正火工藝進行預先熱處理，當等溫溫度能夠保持在560～650℃的范圍以內，才能去大批量的生產，通過預先熱處理后，齒坯就有了硬度（160～180 HB）和十分均勻的組織。這項技術能夠有效地減少齒輪的滲碳淬火變形，以降低車輛運行時所產生的噪音。而且該工藝設備簡單，耗能少，工藝要求不高，所以該技術應用推廣比較廣泛。

20CrMnTi變速器表面的硬化技術，一般采用滲碳工藝。而滲碳工藝主要就是氣體滲碳，現如今已經可以用計算機來控制表面硬度和滲碳深度了，此項應用，能夠讓產品達到最佳的滲碳層深度和最小的變形。滲碳工藝能大大加強其使用壽命，最近對滲碳工藝的發展加強，又使得齒輪畸變情況減少，也為企業降低了生產成本。

2.2 滲氮（氮碳共滲）的應用

20世紀制造技術中最精彩的篇章之一，是汽車變速器滲碳淬火齒輪制造技術及其系統。但是硬化技術發展到今天，可滿足汽車齒輪承載能力要求的熱處理工藝，已不只有滲碳淬火一種了。

從高強度滲氮齒輪制造技術的誕生至今，已開始逐步走向成熟。在這種情況下，下個世紀的汽車齒輪生產工藝，有了新的選擇機會。長期以來，滲碳淬火齒輪的熱后精度，是依靠熱前的精度儲備來保證的，這顯然是不合理的。隨著市場對高品質齒輪的渴望，以及生產廠不情愿采用昂貴的磨齒工藝，加之進一步減小滲碳齒輪的熱處理變形，已十分困難。為了降低成本，減少能源和資源消耗，保護環境，改善熱處理的作業方式和作業環境，此時滲氮齒輪變形微小的優勢，就愈顯得可貴了，使6～7級精度的齒輪生產不再是遠景規劃。因此，這一傳統工藝已獲得了良好的發展契機。

由于滲氮及氮碳共滲工藝處理溫度低，具有變形小、顯著提高鋼件耐磨性和抗疲勞性能等優點，在材料選擇正確、預處理得當與受力適中的前提下，滲氮齒輪的齒根彎曲疲勞強度優于滲碳淬火齒輪，接觸疲勞強度則與滲碳淬火齒輪的水平相當。因此，我們討論采用滲氮及氮碳共滲工藝的應用，條件已經成熟。

變速器齒輪的齒根強度極為重要，無論是短時壽命，或是疲勞極限的高低，都是對材料的重要評價指標。試驗結果表明，滲氮齒輪的齒根強度，可與滲碳淬火齒輪相媲美。齒根疲勞強度極限有希望突破σH500MPa。

在進行的滲氮齒輪的齒面過載能力試驗中，小齒輪循環次數超過5×107時的齒面情況是，齒面完好。小齒輪在σH2 545MPa下運轉2.6×107轉后的齒面情況，絕大部分齒面光亮如鏡。可以看出，其在如此高的接觸應力上，依然有上述的運轉壽命，已超出人們的預料[3]。

隨著熱處理技術的發展，為保證氮碳共滲的品質，通過使用監測滲氮效果的傳感器，以保證滲氮品質的穩定和生產自動化。

同時，滲氮（氮碳共滲）也涌現出眾多新工藝：稀土氮碳共滲，合金化氮化，加壓氮碳共滲等，這將有助于滲氮（氮碳共滲）應用范圍的擴大。以日本為例，氮碳共滲，占了化學熱處理市場總量的30%。可以預見，滲氮（氮碳共滲）技術將越來越受到重視，并在汽車變速器零件的生產中得到更廣泛的應用。

2.3 納米技術的研究應用

隨著熱處理技術的不斷發展，降低處理溫度、提高滲速，是國內外同行追求的目標。較高的處理溫度，容易使材料基體在整個熱處理過程中發生高溫退火，從而導致基體性能下降，而且對于精密的工件，則不利于保持其原有的形狀和尺寸。為了增加硬度值，一般通過提高溫度來達到，然而溫度升高容易使工件變形，尺寸精確度不高。能克服以上不足，對于變速器齒輪也具有非常重要的意義。納米化技術在熱處理的應用，為我們提供了一個可行的好方法。

眾所周知，納米材料具有高體積分數的晶界，而晶界是原子特別是化學熱處理過程中滲入元素的擴散通道，這也是低溫滲氮得以實現的基礎。近年來關于納米技術在熱處理生產中的研究，也越來越多，金屬材料表面納米化，能夠顯著降低處理溫度，滲層的硬度和耐磨性均得到較大提高。

據資料介紹，通過表面增壓噴丸處理，在35鋼表面形成了厚40μm的納米晶層，對具有納米晶層的試樣進行氣體軟氮化。結果表明：經過增壓噴丸處理的試樣，化合物層厚度大約為原始試樣的2倍，軟氮化時間可由10 h縮短為3 h，滲層硬度也有明顯的提高[4]。

根據實驗，采用表面機械研磨處理（SMAT）技術實現了38CrMoAl鋼的表面納米化，并對表面納米化后的樣品進行了490℃離子氮碳共滲，產生約60μm的強塑性變形層。這種處理，能夠使樣品表面硬度達到1 200HV左右，在強塑性變形層范圍內的硬度值，仍然很高，分布也較平緩，在約50μm處硬度值還能達到800HV以上[5]。

因此，納米技術的研究開發，將對熱處理技術的發展，起到重要推動作用。通過對納米技術應用研究的逐步深入，逐步推動其在熱處理生產中的實際應用，使熱處理技術在零件追求最小畸變和最優性能方面，發揮更大作用。

3 汽車變速器發展的主流趨勢

綜上所述，在現階段以及未來一段時間內，汽車變速器的主流趨勢，將向著降低噪音、高品質、低耗能、環保、自動智能化方面發展。

在這個信息時代，自動化和智能化方面，人們開始聯想到了計算機。齒輪熱處理技術，充分利用計算機技術，使熱處理生產管理、工藝工程控制、工藝設計與品質預測分析，實現了自動化和智能化。

在未來的更遠，能源的逐漸枯竭，為使原材料上的節省，技術上的把關會受到更高的重視，防止生產過程中的形變，將是重要的一環。節能，必將成為熱處理技術將來的發展道路上第一個需要解決的問題。

另外，熱處理技術的改進，對齒輪成本和性能起著舉足輕重的作用。

可以預見，大幅度提高齒輪精度，降低噪聲和生產成本，保護環境以及實現熱處理作業的柔性化、智能化、自動化，已不是紙上談兵。同時，這一工作也將促進齒輪加工工藝、齒輪機床、齒輪刀具與熱處理技術的交互發展。

4 結束語

總而言之，隨著社會的發展、科技的進步以及消費者對汽車品質越來越高的要求，傳統的熱處理工藝在汽車變速器上的運用，會進一步深入和廣泛。如低壓真空滲碳高壓氣淬熱處理技術和電腦數控與工業爐的結合等新型熱處理技術，也逐步進入汽車變速器領域；齒輪滲碳工藝向幾方面分化，深層滲碳向高溫離子（或真空）滲碳發展，稀土催滲向常規滲碳的滲透，淺層滲碳向低溫化學熱處理轉化。

將來汽車變速器的發展趨勢，總體上是朝著自動化、零件精細化和結構無縫化發展的，國內汽車變速器廠家，應該順應這個趨勢，吸收國內外先進技術，力求科學技術對生產力的轉化功率，有效地節約成本，提高品質，把握市場，做到最好。

[1]郝金順.汽車變速器的發展[J].北京汽車，2005，4(15)：49-50.

[2]胡朝峰.汽車變速器技術的發展與展望[J].汽車研究與開發，2005，5(15)：15-17.

[3]張元增.變速器滲氮齒輪制造技術的研究[J].傳動技術，1998，（4）：23-30.

[4]陳磊.35鋼表面增壓噴丸納米化對氣體軟氮化的影響[J].材料熱處理技術，2009，38（22）：130-132.

[5]王麗梅.表面納米化38CrMoAl鋼的低溫離子氮碳共滲[J].納米加工工藝，2007，（5）：42-44.

Discussion of Heat Treatment Technology on Automobile Transm ission App lication

YEKe
（Chongqing Tsingshan IndustrialCo.，Ltd.，Bishan Chongqing 402761，China）

The automobile transmission exists abnormal sound and noise problems,expounds,analysis of the heat treatment technology in the field of application,and points out that domestic manufacturers should conform to the automation,parts of refinement and seamless structure of automobile transmission development tendency,absorbing domestic and foreign advanced technology,a good grasp ofmarketdemand.

automobile gearbox；heat treatment technology；application；development trend

G643

A

1672-545X（2013）03-0252-03

2012-12-06

葉 可（1978—）男，重慶璧山人，大專學歷，主要從事汽車變速器熱處理生產工作。