單擋減速器齒輪軸的結構及熱處理工藝優化研究*

尹 泉，陸元三，劉登發，廖騰輝，劉隆節

（1.湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002；2.衡陽風順車橋有限公司，湖南 衡陽 421001）

單擋減速器總成中的齒輪軸是汽車減速器總成中非常關鍵的零件之一。在實際工作過程中，單擋減速器齒輪軸除受到較大的扭、彎、壓、擠等交變載荷作用外，還要承受軸上齒輪、齒輪軸兩端軸承運轉時的摩擦力作用。不同的工作條件和受力形式產生了不同的失效模式，齒輪軸常見的失效形式有疲勞磨損、裂紋、表面點蝕、彎曲疲勞折斷、沖擊折斷等[1-3]。因此，齒輪軸不僅需要具有高的疲勞壽命，高的抗彎強度，較好的韌性，良好的耐磨性，抗多次沖擊的能力，高溫下的高強度，還需要具有一定的精度。換句話說就是要具備較好的力學性能，良好的加工性能以及較好的綜合機械性能。齒輪軸的性能好壞直接影響到減速器總成的傳動效率和使用壽命[4-5]。由于人們對電動汽車整車性能的要求不斷提高，作為汽車配件的減速器齒輪軸的性能要求也越來越高。齒輪軸的加工和熱處理工藝的優化是改善金屬材料綜合性能的有效途徑。課題組針對單擋減速器總成中的齒輪軸的結構和熱處理工藝優化展開專題研究，目的就是改善和提升齒輪軸的綜合性能，提高生產效率，使齒輪軸最大限度地發揮作用，從而更好地保障和提升單擋減速器總成的性能。

1 齒輪軸結構設計改進

產品的結構決定了產品的性能和壽命，通常減速器的齒輪軸會做成齒輪和軸一體式或部分齒輪與軸一體式的，也有將齒輪和軸分開制作，加工后裝配成部件的[6-10]。齒輪軸通常設計成階梯軸，這種階梯軸具有結構簡單、模具制作簡便、加工容易、制作成本低等優點。由于軸和齒輪做成一體結構且軸為實心軸，所以軸和齒輪的重量大，且對于二級變速器來說，變速器內設置三根齒輪軸，這增大了變速器的空間。但是對電動汽車來說汽車底部要安裝電池，底部空間本來不足，這使得變速器的安裝更加困難。為了克服上述問題，課題組對減速器齒輪軸的結構進行了改進設計。

結構改進一：在滿足其功能和性能要求的前提下，將減速器中間齒輪軸設計成空心形狀，齒輪軸中間空心部分設置內花鍵，減速器輸入軸的外花鍵插入到中間齒輪軸的花鍵孔內；電機輸出端輸出的扭矩通過離合機構傳遞到變速器的輸入軸上，變速器的輸入軸將扭矩通過與其配合的內花鍵傳遞到中間齒輪軸的齒輪上，中間齒輪軸上的齒輪再通過與其嚙合的大齒輪將扭矩傳遞到輸出軸，驅動兩邊的車輪工作。中間齒輪軸設計成空心形狀，既減輕了齒輪軸的重量，節約了材料，又減小了減速器的體積，使齒輪軸上的齒輪和軸內部的花鍵在熱處理中的硬度更加均勻，可以減少中間齒輪軸熱處理過程中變形、內部裂紋等不良情況的發生。

結構改進二：針對中間齒輪軸在熱處理過程中各臺階根部易產生裂紋的問題，課題組將中間齒輪軸各臺階根部及齒輪兩側的圓角值由原設計的R1～R3加大至R5～R8，避免齒輪軸因根部圓角R 過小產生裂紋等不良現象。

結構改進三：中間齒輪軸兩端的外倒角由原設計的1.5×45°變為2×30°，改變的原因是原設計的中間齒輪軸兩端的外倒角不方便安裝油封，且易損傷油封的內部唇口；改進后方便油封裝配，油封裝入后沒有出現唇口損傷等質量問題。

結構改進四：中間齒輪軸中間孔沿軸的軸向設置2 個以上的油孔，以利于軸內的齒輪油與外面的齒輪油的交換，加速齒輪軸運轉中的熱量交換，改善軸上齒輪和軸兩端軸承的潤滑條件，降低軸承處的溫度，提升軸承、齒輪的傳動效率和使用壽命。

設計改進后的單擋減速器齒輪軸剖面如圖1所示。

圖1 單擋減速器齒輪軸結構（剖視）

2 單擋減速器齒輪軸的常規機械加工及熱處理工藝

除了軸的結構之外，齒輪軸的材料選擇、機械加工工藝流程和熱處理工藝對其傳動效率和使用性能也有非常重要的影響。

2.1 材料選擇

汽車減速器齒輪軸的材料必須根據齒輪軸的受力情況、技術要求和工作條件進行確定。

汽車單擋減速器齒輪軸的設計對齒輪軸有如下的性能要求。

1）表面滲碳層的深度為0.8 mm～1.2 mm，表面硬化層的深度為1.7 mm～4.0 mm，表面硬度達到HRC55以上，以保證優良的耐磨性和接觸疲勞抗力；

2）心部硬度為HV350～420，確保齒輪軸心部具有高的韌性和足夠高的強度，若心部韌性不足，在沖擊載荷或過載作用下齒輪軸在臺階處的根部容易產生裂紋或斷裂；

3）有良好的熱處理工藝性能，在高滲碳溫度（900 ℃～950 ℃）下，奧氏體晶粒不易長大，并有良好的淬透性。

為滿足齒輪軸以上性能特點，對齒輪軸的材料成分有如下要求。

1）低碳，碳的含量一般為0.15%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性；

2）加入提高淬透性的合金元素，常在材料中加入如Cr、Ni、Mn、B等；

3）加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素，主要加入少量增強碳化物形成的元素Ti、V、W、Mo 等，形成穩定的合金碳化物。

根據齒輪軸的性能和成分特點要求，齒輪軸通常選用的材料有20CrMnMo、20CrMnV、20CrMnTi、40Cr、42CrMo 等，現以20CrMnMo 作為單擋減速器齒輪軸試件材料進行試驗。該材料的化學成分如下：碳C0.17～0.23，硅Si0.17～0.37，錳Mn0.9～1.2，鉬Mo0.2～0.3，鉻Cr1.25～1.65，鎳Ni ≤0.030，銅Cu≤0.030，允許殘余硫S≤0.03，磷P≤0.03，其余為鐵Fe。這種材料適合于受中等載荷、潤滑條件較好和沖擊力一般的單擋減速器中間齒輪軸和離合器齒輪軸，還適合于汽車油泵的拉桿軸。因其經過滲碳淬火和回火后，軸的表面硬度達到HRC55 以上，表面耐磨性也較好，其心部硬度在HV350～420 之間，20CrMnMo 鋼還具有高強度，高韌性，良好的淬透性，經過熱處理后有良好的綜合機械性能，并具有較高的疲勞壽命極限和抗多次沖擊的能力。此外，20CrMnMo 鋼還具有淬火變形小等優點，高溫時有高蠕變強度和持久強度，缺點是回火脆性大。

20CrMnMo 鋼具有以上的優良特性，與鋼中加入的合金元素Cr、Mn、Mo 有關。Cr、Mo 能增加滲碳的濃度，提高鋼的淬透性，Cr 能促進鋼的二次硬化，提高鋼的滲碳層硬度和耐磨性。試驗證明，當Cr 含量達到12%以上時，鋼具有更好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質腐蝕的能力，20CrMnMo 鋼經淬火回火后具有較好的綜合力學性能，能在滲碳鋼中形成含鉻的碳化物，從而提高鋼表面的耐磨性；Mn 在鋼中易形成錳的氧化物，能夠快速提升鋼的強度和韌性，且能提升大斷面齒輪軸的淬透性和回火的穩定性，使齒輪軸在較高的溫度下回火，能消除機械加工和鑄鍛造應力，優化齒輪軸的塑性和韌性。

2.2 機械加工及熱處理工藝流程

單擋減速器齒輪軸的結構簡圖如圖2所示。

圖2 單擋減速器齒輪軸的結構（外形）

用20CrMnMo 鋼制作單擋減速器齒輪軸時，其普遍采用的加工工藝路線如下：下料→鍛造→毛坯粗、半精加工→滲碳→淬火→高溫回火→齒輪高頻淬火→磨削。齒輪軸試樣在滲碳后直接出爐油淬，即淬火溫度與滲碳溫度一致。滲碳淬火和回火等熱處理工藝能大大提升了20CrMnMo 汽車減速器齒輪軸的綜合機械性能。因此，對滲碳淬火和回火工藝過程進行優化可以提升齒輪軸的質量水平，從而提升單擋減速器總成和整車的性能。

1）下料。根據待生產軸的功能和受力情況計算出軸徑，并選擇相應尺寸的圓鋼棒料到鋸床或切割機上切成短棒料，方便鍛打。

2）鍛造。將短棒料放入電爐中加熱到1 180℃±10 ℃，取出采用模鍛鍛打成所需要的毛坯，終鍛溫度為1 130 ℃。

3）毛坯粗、半精加工。將上一工序鍛造好的毛坯安裝到數控車床上，粗加工一端外圓及端面，半精加工外圓、內孔及端面；再掉頭粗車另一端外圓、內孔和端面，換刀精車另一端外圓、內孔和端面；加工粗糙度值為Ra3.2，外圓單邊留磨量0.15 mm～0.2 mm；在滾齒機上加工齒輪。

4）滲碳淬火。將粗加工好的齒輪軸裝入箱式淬火爐內，齒輪軸采用垂直吊掛方式裝入爐內，將爐內溫度加熱到925 ℃，并調整爐內碳氣氛的含量，滲碳時間約3 h，取出用油淬火并冷卻至室溫。

5）高溫回火。將已經淬火的齒輪軸裝入井式回火爐內，將待處理的齒輪軸加熱至550 ℃，保溫2 h后開爐空冷至室溫。

6）齒輪高頻淬火。在高頻淬火機上對已加工好的齒輪進行高頻淬火處理。

7）磨削。在外圓磨床上磨削加工齒輪軸的軸承擋、油封擋外圓。

改進前的熱處理工藝圖如圖3所示。

圖3 改進前的熱處理工藝圖

統計用戶反饋的信息，采用以上機械加工和熱處理工藝生產的齒輪軸在實際使用過程中存在下列問題。

1）經過鍛造的齒輪軸在粗加工時存在表面和心部硬度不均勻的情況，刀具磨損快，易于打刀等；

2）齒輪軸在熱處理或使用過程中在臺階軸的臺階過渡處出現裂紋，造成齒輪軸在工作過程中，臺階過渡圓角處易出現裂紋或斷裂現象，從而縮短了齒輪的使用壽命，隱藏的裂紋不容易被發現，易帶來潛在的安全隱患；

3）齒輪軸的承載能力不夠，在運行中易出現彎曲、扭轉變形，甚至斷裂的現象。

3 減速器齒輪軸熱處理工藝優化措施

針對以上問題，課題組從齒輪軸的機械加工、熱處理工藝流程方面開展分析研究，對機械加工、熱處理工藝流程和熱處理工藝參數進行優化，解決了上述問題。

3.1 機械加工和熱處理工藝流程的優化措施

將原機械加工和熱處理工藝流程變更為：下料→鍛造→正火→毛坯粗、半精加工→制齒→滲碳→分級淬火→低溫回火→齒輪高頻淬火→精磨。正火工藝優選為870 ℃×35 min后空冷的快速正火處理；滲碳工藝優選為925 ℃×2 h+850 ℃×1 h的分級滲碳工藝；分級淬火工藝優選為840 ℃×1 h+560 ℃×0.5 h的分級淬火油冷工藝；低溫回火工藝優選為160 ℃×1 h的低溫回火空冷工藝。改進后的熱處理工藝圖如圖4所示。

圖4 改進后的熱處理工藝圖

3.2 試樣試驗結果及討論

3.2.1 力學性能試驗結果

試驗結果如表1 所示。從表中可看出，與改進前熱處理工藝相比，采用改進后的熱處理工藝后的單擋減速器齒輪軸在25 ℃和320 ℃兩種不同的條件下，其熱處理后表面滲碳層的組織為合金滲碳體+回火馬氏體+少量殘余奧氏體組織，抗拉強度分別提高了8%和42.96%，其屈服強度分別提高了7.76%和64.97%，拉斷后伸長率分別提高了31.07%和59%。

表1 試驗結果

3.2.2 耐磨損性能試驗檢測結果

采用改進的熱處理工藝后，20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸的磨損體積減小，20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸的耐磨損性能得到明顯提高。將其與改進前熱處理工藝相比，采用改進的熱處理工藝后的20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸25 ℃磨損體積從70×10-3mm3減小至35×10-3mm3，減小了50%；320℃磨損體積從200×10-3mm3減小至80×10-3mm3，減小了60%。此外，采用未改進的熱處理工藝的20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸在320 ℃磨損試驗后，表面出現較多的起皮、脫落現象，磨損較為嚴重。采用改進的熱處理工藝后的20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸在320 ℃磨損試驗后，表面無明顯的起皮、脫落現象，僅有細小的磨痕；與采用改進前熱處理工藝的試樣相比，磨損量明顯減少。由此可以看出，改進的熱處理工藝使得20CrMnMo 汽車變速器齒輪軸的耐磨損性能得到明顯提高。

4 分析及結論

課題組通過對20CrMnMo 汽車單擋速器齒輪軸的結構改進，機械加工與熱處理工藝流程的優化，熱處理工藝參數的優選，使得20CrMnMo 在經過正火、滲碳淬火、低溫回火后獲得的顯微組織表面為細馬氏體、殘余奧氏體和碳化物，心部組織為回火索氏體。改高溫回火為低溫回火，既能消除淬火時產生的殘余應力，又能降低鋼的脆性，防止齒輪軸的變形和開裂，調整了軸的強度、硬度、塑性和韌性，并穩定了鋼中的顯微組織和工件尺寸，使其達到了使用性能和工藝要求，為單擋減速器齒輪軸的設計、制造加工提供了科學合理的工藝方案。研究結果如下。

1）單擋減速器齒輪軸最佳結構如圖2所示。

2）齒輪軸機械加工和熱處理的最佳工藝流程：下料→鍛造→正火→毛坯粗、半精加工→制齒→滲碳→分級淬火→低溫回火→齒輪高頻淬火→精磨。得出齒輪軸最佳熱處理工藝參數。

3）熱處理工藝參數的優選：870 ℃×35 min后空冷的正火處理，925 ℃×2 h+850 ℃×1 h的分級滲碳工藝；840 ℃×1 h+560 ℃×0.5 h的分級淬火油冷工藝；160 ℃×1 h的低溫回火工藝。

受時間和成本等因素的制約，以上熱處理工藝參數的優化只選取了一些特殊點的參數進行試驗，試驗范圍存在一定的局限性，也就是說以上的熱處理工藝還有優化的空間。此外，分級淬火的冷卻液可以選用乳化液代替油淬，以降低材料成本并減少油淬對環境的污染。這兩點可以在今后的研究中進一步探索改進。