5種汽車變速箱齒輪材料在制造過程中的優劣性分析

李昆，陳宇

（一汽-大眾汽車有限公司 傳動器車間，長春130011）

1 汽車齒輪常用材料介紹

汽車變速箱齒輪材料不僅要有良好的強度、韌性、耐磨性，而且還要求變形小、加工精度高。在齒輪的熱處理加工工藝中，除了一般的淬火、回火外，還采用滲碳淬火、氮化處理、高頻淬火等多種表面硬化工藝。對齒輪材料技術要求有：1）足夠的芯部淬透性、表面硬度和深層，并確保齒輪滲碳淬火時滲碳層和芯部不出現過冷奧氏體分解物；2）齒輪滲碳淬火后尺寸變形小且均勻，便于后續的精加工[1]。汽車齒輪常用的國產材料有20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4 等[2]，本文對比了以上4 種國產材料及德國進口材料（型號TL4521）在相同制造工藝下（機械加工工藝及熱處理工藝完全相同）所表現出來的材料優劣性。

2 汽車齒輪制造過程的評價參數介紹

齒輪的設計參數有齒數、模數、壓力角、齒頂高系數和螺旋角等；齒輪制造過程中的評價參數有跨棒距MDK、徑跳FR和齒輪精密測量報告等，表1 所示為汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評價參數。

表1 汽車變速箱齒輪零件在制造過程的評價參數

齒輪的精密測量報告主要評價齒輪齒面修形誤差（實際形狀與設計的非理論漸開線齒形之間的偏差）及分度誤差（周節誤差）[3]，齒面修形誤差包括齒形角偏差、齒形形狀誤差、齒形鼓形量、齒向角偏差、齒向形狀誤差和齒向鼓形量等，分度誤差包括單個周節誤差、周節累計誤差等，這些參數決定了齒輪的加工精度等級，影響了變速箱的振動和噪聲。

3 實驗設計

3.1 評價指標選擇

為了對比上述的5 種材料在汽車變速箱齒輪加工制造過程中所體現的性能好壞，本文選取了表2 所示的關鍵指標作為評價指標，表中的尺寸全部為齒輪零件生產制造過程中的核心尺寸。評價尺寸的選擇并不是越多越好，最好用少而精的尺寸來準確反映零件的整體性能。

表2 材料評價指標

3.2 評分原則的確定

為了系統地評價上述5 種材料在齒輪加工制造過程中所體現的性能好壞，對尺寸變形的大小（波動及變形量）采用量化的評價指標，同時為了考核不同批次毛坯材料及不同輪次實驗的影響，增加了一項“材料性能一致性”評價指標，用多輪實驗中每項尺寸指標平均變形量的最大值減去最小值，再除以該尺寸的公差來進行評價，評價原則如表3 所示。

表3 尺寸變形評價規則

3.3 實驗方案整體設計

實驗采用ECM 真空熱處理爐，使用8 種齒輪類零件（4 種小齒輪，1 種大齒圈，2 種軸，1 種同步器）。按照精加工形式，又可以劃分為3 種磨齒類零件、4 種剃齒類零件。由于剃齒類零件最終成品尺寸由熱處理變形保證，因此對剃齒類零件進行5 輪實驗，對磨齒類零件進行3 輪的實驗，以保證實驗結果的準確性。每輪實驗中，5 種材料的實驗件分別加工9 件，并排放在熱處理料盤的8 個角落及中心（即熱處理九點實驗）。零件在熱處理投爐前按照表2 中的尺寸進行測量，并在零件上標注測量點，熱處理完成后按照相同的測量點再次進行測量，從而獲得準確的尺寸變形量。齒輪零件使用的真空熱處理主要參數如表4 所示。

表4 齒輪零件的真空爐主要參數

4 數據分析

4.1 熱處理指標分析

由5 種齒輪零件的實驗結果可以看出來：1）材料TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9=37 ～40)、20CrMnTi(J9=35～38)在芯部硬度、表面硬度和層深等3方面全部合格；2）材 料20CrMo 及20CrMnTi(J9=32～35)由于淬透性不足，導致在相同的工藝條件下，芯部硬度不足夠，其中20CrMo 材料對應的一擋換擋齒輪零件的各項熱處理指標如圖1 所示；3）材料25CrMnS4 只在軸零件上進行了實驗，結論是熱處理指標全部合格。

4.2 尺寸變形分析

如表6 所示，由5 種齒輪零件的實驗結果可以看出：1）5 種零件的累計總分，TL4521 最高，其次是20CrMo 和20CrMnTi (J9=35 ～38)；2）單 項 最 低 分 方 面，20MnCr5、20CrMnTi(J9=37～40)及20CrMnTi(J9=32～35)都出現0 分項，即變形量超出了公差范圍；3）材料25CrMnS4 只在軸零件上進行了實驗，總分由高到低的順序為TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi。

表5 熱處理指標分析

圖1 20CrMo 材料對應的一擋換擋齒輪零件各項熱處理指標

在尺寸變形評價過程中，已經對異常數據點進行分析和剔除，以避免由于數據異常造成的分析結果差異，但由于采樣評價的數據點有限，不能保證完全體現材料的真實性能。

4.3 生產平順性

在實驗的過程中，4 種國產材料（20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4）在車削工序出現了不同程度的纏屑，如圖2(a)所示。20CrMnTi 材料對應的一擋換擋齒輪在插齒工序出現了材料黏刀現象，導致加工完成的零件端面有壓傷，屬于外觀缺陷，如圖2(b)所示。提高國產毛坯材料的硬度，可減少車削工序纏屑和插齒工序材料黏刀現象，比如20CrMnTi 材料的硬度由原來的167～192 HB提升到180～200 HB。再結合車床、插齒機設備參數優化，可完全消除這些加工缺陷，滿足生產平順性要求。

表6 尺寸變形分析

圖2 生產平順性問題照片

5 結 論

本文對比了5 種不同的金屬材料（TL4521、20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4），從熱處理指標、尺寸變形和生產平順性等3 個方面出發，通過選擇合適的評價指標，在相同的制造工藝前提下（機械加工工藝及熱處理工藝完全相同）開展實驗，分析了5 種汽車變速箱齒輪材料在生產制造過程中體現出的優劣性。

在熱處理指標方面，TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9=37～40)、20CrMnTi(J9=35～38)能保證實驗數據全部在合格范圍內；在尺寸變形方面，采用量化的評價方式，齒輪和同步器零件尺寸變形由大到小的順序為TL4521、20CrMo、20CrMnTi、20MnCr5，軸零件尺寸變形由大到小的順序為TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi；在生產平順性方面，4 種國產材料在車削工序出現了不同程度的纏屑，材料20CrMnTi 在插齒工序出現材料黏刀現象，通過調整毛坯硬度及優化設備加工參數，缺陷可以完全消除。

本文提供的實驗分析結果，不同于實驗室里的材料組織成分分析及齒輪疲勞壽命評價，是從生產制造角度對常用汽車齒輪材料的優劣性進行評價，給變速箱齒輪材料選型提供另一種參考維度。汽車變速箱齒輪材料的具體選型需要綜合考慮成本、質量、壽命等，依據變速箱臺架實驗及整車路試實驗結果進行最終確定。