『精華』螺旋錐齒輪產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外質(zhì)量水平差距與制造技術(shù)分析

2017-07-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1. 中國(guó)汽車螺旋錐齒輪產(chǎn)品保質(zhì)期為5~10萬公里,美國(guó)同類產(chǎn)品為160萬公里。國(guó)際市場(chǎng)高端產(chǎn)品140公里/時(shí)速噪聲<70分貝。我國(guó)只有個(gè)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(guó)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(guó)近15年來技術(shù)創(chuàng)新的成果,參照外企的制造技術(shù),對(duì)我國(guó)汽車螺旋錐齒輪的制造技術(shù)存在的問題分析如下

齒輪噪聲太大的原因分析

1.設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

1-1:齒型設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)。收縮齒可以磨齒,精度高,對(duì)降低噪聲有益;但對(duì)裝配精度要求過高,大生產(chǎn)裝配時(shí)間有限,裝配精度不高,噪聲升高。噪聲只能達(dá)到70~80分貝。等高齒對(duì)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(dá)6級(jí),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(guó)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(jí),噪聲高達(dá)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(dá)4級(jí),受裝配精度限制,噪聲70~80分貝,屬中端水平。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)采用等高齒,齒輪精度7~8級(jí),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(jí),噪聲60~70分貝,與外企水平相當(dāng)。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(shí)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(jì)對(duì)噪聲的影響:從動(dòng)齒相對(duì)于主動(dòng)齒熱后變形大,是影響噪聲高低的主要環(huán)節(jié)。從動(dòng)齒外徑,內(nèi)徑,厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)某企業(yè)產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)計(jì)算,約60%以上的設(shè)計(jì)抗翹能力低下。所以,齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是我國(guó)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(duì)精度,噪聲的影響:這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度,決定了齒輪材料在滲碳過程中的高溫強(qiáng)度。高溫強(qiáng)度高,抵抗熱處理變形的能力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明:可將從動(dòng)齒翹曲減小30%左右。據(jù)調(diào)查,國(guó)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(jì)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(dá)到4~5級(jí)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(dāng),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(guó)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(biāo)準(zhǔn)供貨,用戶復(fù)檢的合格率僅約75%。國(guó)外引進(jìn)鋼種的合格率在90%以上。這也是我國(guó)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(dòng)齒嚙合精度環(huán)節(jié):嚙合精度差,會(huì)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。武漢雙駿齒輪廠N153橋齒按日產(chǎn)柴標(biāo)準(zhǔn)考核,提高嚙合精度后,臺(tái)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(biāo)志我國(guó)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(guó)二汽技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)證明:齒輪芯部淬火硬度為32HRC,與芯部硬度為38HRC的驅(qū)動(dòng)橋齒臺(tái)架壽命對(duì)比,前者臺(tái)架壽命僅為后者的10%。二汽目前鋼材采購(gòu)20CrMnTiH鋼,標(biāo)準(zhǔn)J9=33~39HRC,鋼廠達(dá)不到35~39HRC的要求。這意味約30%的產(chǎn)品壽命低下。應(yīng)該對(duì)20CrMnTiH鋼的淬透性穩(wěn)定性差進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),實(shí)現(xiàn)按4HRC淬透性帶寬的高標(biāo)準(zhǔn)供貨。中國(guó)一汽對(duì)485驅(qū)動(dòng)橋齒進(jìn)行臺(tái)架壽命試驗(yàn),23次試驗(yàn)全部因主動(dòng)齒斷,壽命沒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。查其原因:主動(dòng)齒用鋼20CrNi3H,淬透性低,齒輪芯部淬

火硬度32HRC?，F(xiàn)在我國(guó)485 驅(qū)動(dòng)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(shí)芯部冷速慢,應(yīng)選用淬透能力更高的17Cr2Mn2TiH鋼材?？紤]到應(yīng)減小熱處理變形,提高齒輪嚙合精度,應(yīng)配以分級(jí)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(qiáng)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(jī)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(gè)問題?已成為國(guó)內(nèi)外都在關(guān)注的共性問題。哈工大發(fā)明的高碳勢(shì)稀土--碳共滲專利技術(shù),為解決這個(gè)難題提供一個(gè)解決方案。

哈工大與淮南煤礦機(jī)械廠合作,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,無錫勇凱達(dá)齒輪廠,上海交大的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)證明:齒根壓應(yīng)力高低對(duì)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(jí)別有關(guān)。國(guó)外高端齒輪產(chǎn)品齒根非馬氏體組織<0.02mm。歐洲德國(guó)大眾為達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)采用抗內(nèi)氧化能力低的MnCr系列齒輪鋼時(shí),采用了低壓真空滲碳技術(shù)。當(dāng)?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(shí),在用鋼成分設(shè)計(jì)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(guó)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(yán)重超過0.02mm的要求。既降低起始?jí)簯?yīng)力,也減低強(qiáng)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(bǔ)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(shì)稀土碳共滲專利技術(shù)能解決這個(gè)難題。哈爾濱匯龍齒輪廠應(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(jì)環(huán)節(jié):中國(guó)北方交大王小春教授在齒型設(shè)計(jì)方面創(chuàng)新,既吸取等高齒對(duì)裝配精度不敏感的優(yōu)點(diǎn),又吸取收縮齒允許磨齒提高精度的優(yōu)點(diǎn)。創(chuàng)建新的齒制。該技術(shù)應(yīng)用于拖掛車驅(qū)動(dòng)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(jī)齒輪,噪聲<60分貝,超過外企質(zhì)量水平。(常曙光)

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