汽车驱动桥齿轮

汽车驱动桥齿轮（共7篇）

汽车驱动桥齿轮 篇1

对于重型汽车驱动桥齿轮一般需进行疲劳性能考核。试验方法是将被考核齿轮以总成形式安装在总成试验台上, 使其在与实际工作条件接近一致的情况下运行。该试验方法可以对轮齿的齿面强度 (抗接触疲劳强度) 和齿根强度 (抗弯曲疲劳强度) 进行综合考核, 其试验结果是对被试验齿轮在材质、锻造加工、机械加工、热处理、装配与调试、加载条件、润滑状态等因素影响下的综合反映。

1 材料对疲劳性能的影响

齿轮原材料质量的优劣是影响齿轮强度及其疲劳性能的最主要因素之一。齿轮钢材的质量状况, 不仅直接影响齿轮锻件预备热处理质量, 而且还影响齿轮渗碳淬火后的畸变情况, 即影响齿轮的尺寸精度, 并最终影响齿轮的疲劳性能。因此, 对原材料质量的控制是重型汽车驱动桥齿轮质量的第一控制点。

对齿轮原材料的质量要求除了钢材的抗拉强度、伸长率、冲击值等力学性能, 还应对钢材的纯净度、带状组织、淬透性能及晶粒度等提出特殊技术要求。

1.1 钢材的选择

(1) 首先应选择国内钢材产量较大、实物质量稳定及钢材质量保障能力较好的特殊钢厂, 如上钢五厂、大冶钢厂及北满特钢厂等。

(2) 对于13 t及以上承载质量的重型汽车驱动桥主动圆锥齿轮 (模数大于11 mm) 用钢, 可根据齿轮产品技术要求选择含Ni渗碳钢, 如20CrNiMoH、17CrNiMo6H、2 0 C r N i 2 M o H、2 1 N i C r M o 5 H及20CrNi3H等。由于Ni可以提高高碳马氏体的塑性及渗碳层韧性, 并增加齿轮的疲劳强度和抗过载能力, 含Ni渗碳钢渗碳淬火后各种力学性能优越。试验表明, 含Ni钢17CrNiMo6H比22Cr Mo H具有更好的渗碳层韧性, 较低的缺口敏感性和较高的回火稳定性。二汽台架试验表明, 采用17CrNiMo6H材料制造的重型汽车驱动桥齿轮台架试验寿命平均为40万次 (产品设计要求的疲劳寿命不低于30万次) 。表1为一汽用3种钢材制造的同一种齿轮的弯曲疲劳试验结果。从表1看出, 含Ni钢齿轮具有较高的疲劳寿命。

(3) 8 t汽车驱动桥主动圆锥齿轮采用20CrMnTiH钢时, 材料淬透性能J9应选择上限值。渗碳淬火时, 在保证齿轮渗碳淬火畸变的前提下, 可采用较强烈搅拌方式以增加轮齿心部硬度 (强度) , 即提高主动锥齿轮的抗弯曲疲劳强度。

(4) 采用含Mo材料 (如22CrMoH、20CrMoH等) 制造的齿轮, 其原材料成本较Cr-Mn-Ti钢高。国内有的齿轮厂家采用新型材料17Cr2Mn2TiH加工EQ-153型汽车N2B驱动桥主动圆锥齿轮 (模数11.15 mm, 速比5.571) , 并进行了台架试验, 循环次数最高40万次, 平均27.8万次, 超过了22CrMoH钢的日产柴汽车标准要求 (输出扭矩为30 000 Nm, 循环次数10万次合格) 。

1.2 原材料质量的控制

(1) 纯净度

钢的纯净度取决于钢中非金属夹杂物的数量, 而非金属夹杂物的数量又取决于钢中氧和硫的含量。尤其是钢的氧含量, 它反映了钢中的氧化性夹杂物含量, 因为钢中含氧会形成氧化性夹杂物。钢中存在的氧化物及硫化物等夹杂, 作为微形缺口引起应力集中, 严重降低了材料的弯曲疲劳强度, 特别是钢中存在的难于变形的硬而脆夹杂物, 如堆状的Al2O3等氧化物会引起严重的应力集中而诱发疲劳裂纹的形成, 成为疲劳裂纹源起点。如果它存在于齿轮的高应力区域或正好位于渗碳层表面下面而且尺寸超过临界尺寸 (约10μm) 时, 其危害性更大, 将会显著降低齿轮的疲劳性能。而提高渗层抗裂性能的关键在于提高渗层的韧性, 最有效的措施是采用超低氧钢。20CrMnTiH钢氧含量从1.3×10-4降到2.3×10-5时, 齿轮弯曲疲劳强度提高119%, 接触疲劳强度提高143%。采用真空脱气冶炼对净化钢材和提高疲劳性能有明显效果 (如表2) 。脱氧冶炼工艺对奥氏体晶粒长大倾向有很大的影响。

重型汽车驱动桥锥齿轮用渗碳钢氧含量最好控制在<20×10-6。非金属夹杂物按GB/T 10561—1989中JK级标准检验, A≤2.0级、B≤1.5级、C≤1.0级、D≤1.0级。

(2) 带状组织

严重的带状组织使材料产生各项异性, 不仅会影响材料的伸长率、断面收缩率及冲击韧度, 而且还影响渗碳层组织、应力和硬度的均匀性, 并显著增加齿轮淬火畸变, 使渗碳淬火齿轮尺寸精度降低, 从而降低齿轮的疲劳寿命。22CrMoH钢齿轮因材料带状组织严重和金相组织不均, 不仅加大齿轮淬火畸变, 而且造成主动圆锥齿轮因表面产生轴向开裂而报废。表3和表4分别为主动锥齿轮和从动锥齿轮淬火畸变检验情况。因此, 必须对带状组织进行控制和检验。按一汽集团公司有关技术标准, 带状组织控制在≤3级。

(3) 淬透性

齿轮淬透性能的合理选择不仅有利于保证不同大小齿轮的心部强度 (硬度) , 而且有利于控制齿轮渗碳淬火畸变。同时还要保证不同批次材料淬透性波动小, 以提高齿轮硬化层深度和心部硬度的稳定性, 从而提高齿轮的疲劳寿命。

齿轮材料的淬透性能包括淬透性值的高低和淬透性分布带的宽窄, 其淬透性值和淬透性带宽的控制, 主要取决于材料的化学成分及其均匀性。实际上对材料淬透性的选择, 既要考虑到齿轮渗碳淬火畸变, 又要保证轮齿心部硬度达到产品的技术要求。

a.淬透性能

齿轮材料淬透性能的选择:对一些易变形的小模数齿轮, 采用较低的淬透性钢材, 使严重的畸变问题得以解决;对一些大模数齿轮, 采用较高淬透性钢材, 以解决大模数齿轮心部硬度偏低问题。具体可以参考中国齿轮专业协会颁发的标准CGMA001-1:2004《车辆齿轮用钢技术条件》进行选择。如20 CrMnTiH钢淬透性能由高向低分为6种, 即20CrMnTiH1～20CrMnTiH6;20 CrNiMoH钢分为两种, 即20CrNiMoH1、20CrNiMoH2。或者参照一汽、二汽等大厂相关钢材技术标准及产品技术要求进行选择。

b.淬透性带宽

钢材淬透性带宽在很大程度上影响齿轮渗碳淬火后的畸变和质量分散度。要采用淬透性带窄的钢材, 主要在于钢厂冶炼时严格控制化学成分的波动范围和成分的均匀性, 要确保淬透性能在很窄的范围内波动。为保证材料性能及其渗碳淬火畸变, 可参照GB/T5216—2004《保证淬透性结构钢》标准要求, 同特殊钢厂签订技术协议, 生产适合于齿轮技术要求的窄淬透性带钢材。投料时, 保证同一批钢材的淬透性能最大离散值不大于4 HRC。

为减少齿轮渗碳淬火畸变, 国内一般选择淬透性带≤7 HRC的H钢, 而国外先进国家H钢淬透性带一般控制在≤5 HRC。采用H钢的齿轮热处理后精度 (接触区) 比普通合金钢 (GB/T 3077—1999) 高70%～80%。

(4) 晶粒度

钢材奥氏体的晶粒大小对热处理性能和热处理后的力学性能有显著的影响。由于齿轮渗碳温度高、时间长, 当材料抵抗晶粒长大的能力较弱时, 热处理后将得到较粗大的显微组织, 降低了材料的力学性能 (尤其会显著恶化热处理后的冲击韧度) ;而细小均匀的奥氏体晶粒, 渗碳淬火后可得到细小马氏体组织, 使渗碳层和心部的力学性能得到改善, 因此明显提高齿轮的疲劳强度, 同时减少了齿轮渗碳淬火畸变。因此, 为了确保钢材的性能必须对钢材的奥氏体晶粒度进行检测并加以控制。在齿轮生产和加工过程中应严格控制晶粒度, 防止出现混晶情况。为此, 有必要对材料的冲击性能αk值进行检验。渗碳件疲劳试验结果表明, 原始奥氏体晶粒平均直径由17μm降至12μm可以使弯曲疲劳强度由1 100 MPa提高至1 380 MPa。

重型汽车驱动桥锥齿轮的奥氏体晶粒度最好细于或等于6级。

2 主要加工工艺的影响

2.1 锻造质量的控制

齿轮的锻造加工是齿轮制造的基础条件。齿轮锻造质量的优劣不仅影响齿轮的最终力学性能, 而且还影响齿轮的机械加工、热处理质量。齿轮锻件生产工艺和操作不当常常会产生锻造缺陷, 如锻造裂纹、折叠、疤痕及过烧、过热等, 这些缺陷不仅严重影响机械加工、热处理质量, 而且还影响到齿轮渗碳淬火畸变。因此, 锻件质量的检验十分重要, 必要时应在锻件粗车 (削) 加工后进行超声波或磁粉探伤。

通过控制锻造温度、锻造比和锻件的纤维流向, 保证锻件无过烧和过热产生的粗大显微组织, 保证锻件材料的纤维方向均匀一致、锻造流线对称 (如主动圆锥齿轮) 。

(1) 锻件棒料的加热

锻件棒料的加热应避免过烧与过热, 尽量采用感应加热方式。

(2) 锻造温度范围

a.严格控制锻造温度, 在现场可采用远红外测温仪进行全程监测。

b.在确定钢的始锻温度时, 首先必须保证齿轮锻件棒料无过烧现象, 必要时, 进行冲击值αk值的检测。

c.在确定终锻温度时, 如果温度过高, 会使锻件的晶粒粗大, 甚至产生魏氏体组织;相反, 如果终锻温度过低, 变形阻力过大, 不仅导致锻造后期加工硬化严重, 而且还可能产生裂纹。因此, 通常钢的终缎温度应稍高于其再结晶温度。

(3) 锻造比

锻造过程中, 随着锻造比的增大, 由于内部孔隙焊合, 铸态树枝晶被打碎, 锻件致密度与显微组织均匀性提高, 带状组织得到改善, 其纵向和横向的力学性能得到明显提高。不过当锻造比超过一定数值后, 由于形成纤维组织, 导致锻件出现明显的各向异性, 这对减少畸变不利。在GB/T 8539—2000《齿轮材料及热处理质量检验的一般规定》标准中规定锻造比至少3倍。齿轮锻件锻造比一般选择3～5。

2.2 锻件预备热处理的控制

齿轮毛坯经锻造后还需进行预备热处理。目前广泛采用由计算机控制的等温正火自动生产线, 根据不同钢种和齿轮锻件形状及装炉量对其加热温度、等温温度、冷却速度以及保温时间等工艺参数进行有效控制。通过等温正火的标准化生产, 有效控制齿轮锻件的布氏硬度范围及同一齿轮上的布氏硬度差值范围、锻件的显微组织及晶粒度等, 因此可以保证齿轮锻件的机械加工效率、表面质量 (即表面粗糙度) 及显微组织的均匀性, 从而能够有效减少热处理畸变 (尤其对从动圆锥齿轮渗碳淬火畸变控制十分有利) , 有利于最终热处理质量的稳定。采用等温正火工艺处理后的某圆锥从动齿轮经渗碳完直接淬火后的端面平面度合格率 (≤0.15m m) 由原来的5 0%～6 0%提高到85%左右。

(1) 等温正火工艺的控制

采用等温正火自动生产线对齿轮锻件进行等温正火时, 所制定的奥氏体化加热温度必须高于以后进行的渗碳温度, 如渗碳时采用920～930℃, 齿轮锻件等温奥氏体化加热温度可选择940～950℃。其次, 严格控制速冷室的冷却速度, 避免因冷却速度过慢造成齿轮锻件大量析出过共析铁素体;反之, 冷速过快易出现贝氏体组织等。同时, 应保证冷却速度的均匀性。生产实践证明, 粒状贝氏体含量在30%以上, 齿轮的热处理变形规律性将无法控制。一汽集团公司有关标准中规定允许有不超过15%的粒状贝氏体存在。

(2) 等温正火技术要求

a.硬度要求

等温正火后齿轮锻件表面硬度控制在160～180 HBW;硬度散差, 一批次≤15 HBW, 单件≤5 HBW。这对保证齿轮机械加工性能 (如切削加工性能等) 及热处理质量都有很好效果。

从动锥齿轮锻件硬度的检验除以上要求, 还应进行单件圆周三等分检验, 保证单件≤5 HBW, 这对从动锥齿轮渗碳淬火畸变的控制十分有效。

b.金相组织要求

等温正火金相组织要求, 块状先共析铁素体F+均匀片状珠光体P;α-Fe魏氏体组织0级;无粒状贝氏体组织;带状组织小于3级;晶粒度细于或等于6级, 控制混晶现象。

2.3 渗碳淬火的控制

齿轮的渗碳淬火及回火是齿轮热处理加工的最终工序, 对齿轮的疲劳性能至关重要。通过对各炉号 (原材料熔炼号) 产品进行热处理工艺试验, 制定出相应的热处理工艺;对热处理工艺参数及其控制系统进行校对;对操作系统进行标准化作业, 实行标准化热处理生产, 从而对齿轮热处理质量进行最佳控制。

(1) 热处理设备

目前, 重型汽车驱动桥齿轮热处理主要采用由计算机控制碳势、温度、时间等的连续式渗碳自动生产线和密封箱式渗碳炉及其自动生产线, 实现了渗碳过程的自动化控制, 从而保证驱动桥齿轮渗碳淬火质量。

(2) 热处理质量指标及其控制

(1) 热处理质量指标

齿轮代表性表面硬度60～6 3HRC;轮齿心部硬度35～45 HRC;渗碳淬火有效硬化层深度1.8～2.2m m;金相组织为碳化物2～3级, 马氏体2～3级, 残留奥氏体10%～25%, 表面非马氏体深度<20μm, 心部组织为低碳马氏体组织、无块状铁素体组织。热处理畸变按产品技术要求。

(2) 热处理质量的控制

影响齿轮疲劳强度的因素主要包括心部硬度、渗碳层的深度及其金相组织、内应力分布等。齿轮在进行弯曲疲劳试验时齿面承受的应力最大, 而且疲劳性能对表面最敏感, 尤其当超大载荷引起的应力大于齿轮渗碳层的强度时就会引起渗碳层出现裂纹, 所以渗碳层金相组织对疲劳性能的影响远大于其他因素。渗碳层金相组织要求主要包括碳化物、马氏体、残留奥氏体、心部铁素体及非马氏体 (例如, 对含Cr的渗碳钢, 由于表面生成铬的氧化物, 在干净油中淬火时, 用肉眼可观察齿轮表面呈浅绿色) 等。

a.碳化物的控制

碳化物对疲劳性能的影响决定于它的数量、形状和分布情况。在渗碳淬火后渗碳层中不应出现使齿轮产生早期破坏的大块状碳化物, 特别是要避免网状碳化物。当碳化物变得粗大而数量增多时, 在表面的残余压应力可能变成为残余拉应力, 此时渗碳件的弯曲疲劳强度将降低25%～30%。试验表明, 在相同的条件下, 碳化物形成细小颗粒状分布时, 齿轮疲劳性能提高;而形成网状碳化物聚集在晶界时, 易成为薄弱环节, 在齿轮使用过程中, 易产生裂纹, 并沿着聚集碳化物的晶界处向深处扩展, 最终产生弯曲疲劳断齿。主动圆锥齿轮碳化物大于4级, 台架寿命为28万次;碳化物2级时, 寿命提高到70万次以上, 因此碳化物2级为好 (按照QC/T 262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准) 。一般以在放大100倍的金相显微镜下看不到碳化物为佳。

b.残留奥氏体的控制

渗碳层中残留奥氏体对弯曲疲劳性能和接触疲劳性能的影响是不同的, 如以弯曲载荷为主时, 残余奥氏体的数量不要超过25%。表5是南京汽车制造厂进行的齿轮台架试验结果, 其最佳残留奥氏体量控制在10%～25%。国外日本汽车厂规定16%以下为佳, 德国奔驰汽车厂控制在10%左右, 俄罗斯李乔夫汽车厂控制在25%以下;我国汽车渗碳齿轮通常不大于3级 (按照QC/T262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准) 。

c.非马氏体的控制

非马氏体组织控制不好, 对齿轮疲劳寿命影响很大。

齿轮轮齿在载荷的作用下齿根承受弯曲应力, 最大拉应力在齿根表面。因此, 齿轮弯曲疲劳断裂是齿根表面受到最大的、反复周期变化的拉应力引起的, 所以齿轮轮齿的表面质量状况 (如非金属夹杂物、非马氏体、齿根圆角半径及表面粗糙度等) 对拉应力特别敏感, 并直接影响到齿轮的弯曲疲劳强度。一般渗碳气氛中的水蒸气和CO2等组分会对渗碳钢表面的Cr、Mn、Si等合金元素具有氧化性, 形成的内氧化物大都存在于晶界而呈断续网状或网状。由于这些元素形成氧化物, 导致氧化物周围合金元素贫化, 造成局部淬透性能降低, 淬火时在距表面至30μm左右深度范围内形成非马氏体组织, 使最表层硬度降低并改变残余内应力的分布 (由于残余压应力的降低) , 因而对齿轮的金相组织、力学性能和疲劳强度影响很大。渗碳或碳氮共渗后, 若氧化层深度大于13μm的门槛值, 弯曲疲劳强度下降20%～25%。因此, 应严格控制齿轮渗碳淬火非马氏体层深度, 应控制在<20μm, 渗碳淬火后表层20～200μm硬度值在773 HV (60 HRC) 以上, 对提高齿轮疲劳性能有利。

d.心部组织的控制

为得到最大的疲劳抗力, 轮齿心部组织最好控制为回火马氏体组织, 不允许出现块状铁素体组织, 因为此时具有最高强度和韧性。

e.残余压应力的控制

经渗碳淬火、抛丸后的齿轮弯曲疲劳强度受齿表面残余应力、齿表面硬度和齿心部硬度的影响。因此, 齿轮弯曲疲劳强度与齿表面残余应力、齿面硬度、轮齿心部硬度密切相关。

试验证明, 渗碳淬火后的齿轮表面存在较高的残余压应力, 可降低弯曲拉应力峰值, 因此有利于提高齿轮的弯曲疲劳寿命。对齿轮最终表面残余应力有较大影响的因素有渗碳淬火工艺过程、磨齿加工和喷丸强化处理等, 其中渗碳淬火冷却方式影响较大。因此, 应尽可能提高齿轮表面残余压应力, 减少非马氏体组织。

f.硬度的控制

心部硬度的控制。要提高渗碳齿轮的弯曲疲劳强度, 重要的是保证心部有足够的强度 (硬度) 。台架试验表明, 在相同有效硬化层深度条件下, 心部硬度分别为30 HRC和41 HRC的锥齿轮台架疲劳寿命相差近1倍。淬透性能影响着齿轮渗碳淬火后轮齿的心部硬度, 而心部硬度影响着整个渗碳齿轮的性能, 所以在齿轮的技术条件中都规定了轮齿的心部硬度要求, 如载货车后桥齿轮规定轮齿的心部硬度为33～48HRC, 也有人建议齿轮的心部硬度值为30～45 HRC。考虑目前重型汽车驱动桥齿轮台架疲劳试验一般都是在超大载荷条件下进行的, 齿轮的失效形式常以轮齿的弯曲疲劳损坏为主, 因此建议轮齿心部硬度值控制在35～45 HRC。同时, 从以往齿轮失效形式及热处理畸变情况来看, 建议主动圆锥齿轮根据产品技术要求的心部硬度的上限值选择接近的材料淬透性值;而从动锥齿轮主要考虑热处理畸变要求, 根据心部硬度要求的中下限值来选择接近的材料淬透性值。当然, 心部硬度的控制应在产品技术要求范围之内。要获得较高的心部硬度, 须从材料淬透性能、渗碳淬火温度和淬火介质等方面考虑。但如果心部硬度控制过高, 超过规定要求, 将明显降低渗碳层表面的残余压应力, 不仅使弯曲强度下降, 而且将使热处理畸变加大, 容易断齿;反之, 心部硬度过低, 达不到规定的数值要求, 会使齿轮的疲劳寿命显著降低。对弯曲疲劳强度的影响, 轮齿心部硬度有一最佳值。表6为一汽进行的试验结果。从表6看出, 心部硬度为41 HRC时弯曲疲劳寿命最高。

表面硬度的控制。渗碳淬火主、从动圆锥齿轮代表性表面硬度控制在60～63 HRC为佳。

(3) 热处理工艺的控制

齿轮热处理质量的控制关键是对其工艺的控制。齿轮渗碳淬火工艺有两大难点:炉气碳势控制和淬火冷却控制。现代计算机碳势控制系统及可靠运行的渗碳炉已基本解决了齿轮表面碳量的控制;各类新型淬火介质及多功能淬火装置从生产的角度也基本满足要求。然而, 从实际使用性能的角度对渗碳内在质量的要求和从生产的角度对齿轮变形的要求仍然存在一些技术问题。

a.碳势 (Cp) 的控制

选择先进的碳控仪及其系统精确控制热处理气氛特别是碳势 (Cp) 是齿轮获得最大疲劳强度的关键。表面碳浓度及其梯度、硬度及其梯度、渗碳淬火有效硬化层深度、表面残余应力及其梯度和非马氏体等都与改进碳势控制密切相关。因此, 应定期对碳势控制系统进行校对, 以达到精确控制碳势的目的。

b.淬火冷却的控制

淬火冷却的关键是控制淬火温度、淬火油温度及其搅拌方式与速度。在保证齿轮渗碳淬火畸变前提下, 提高淬火油的冷却速度 (如采用快速光亮淬火油、提高淬火油搅拌速度等) , 有利于提高有效硬化层深度和心部硬度, 增加渗碳层残余压应力, 从而提高齿轮疲劳强度。为控制并减小从动锥齿轮渗碳淬火畸变, 渗碳淬火时应采用脉动式淬火压床, 如美国格里森537型、国产Y9050B型等。

淬火油因长期使用发生老化现象, 以及大量炭黑、氧化皮、防渗剂、水分及杂质等混入其中, 都会降低淬火油的冷却速度, 从而降低轮齿的心部硬度及有效硬化层深度, 加大齿轮的热处理畸变。对此, 应定期测定淬火油的冷却特性曲线等, 根据需要加入淬火油添加剂或更换新的淬火油。

(4) 先进设备与工艺的应用

a.中冷连续式渗碳自动生产线的应用

当13 t及以上承载质量的重型卡车驱动桥主动圆锥齿轮采用含Ni量较高材料进行渗碳淬火时, 直接淬火后由于奥氏体稳定化, 残留奥氏体含量较多, 处理不当容易出现不合格组织。为此, 可采用中冷连续式渗碳自动生产线, 通过二次加热减少渗碳层组织中的残留奥氏体含量, 并使奥氏体晶粒得到细化, 获得更加细小的晶粒度和显微组织。二汽试验证明, 20CrNi2MoH钢经二次加热处理后, 晶粒度由7～9级提高至9级, 弯曲疲劳强度由560 N/mm2提高至800 N/mm2, 马氏体为2级, 残留奥氏体为1～2级, 心部硬度为45HRC。

当材料出现混晶时, 可采用中冷连续式渗碳自动生产线, 通过二次加热淬火工艺细化晶粒, 消除混晶, 最终得到合格的马氏体组织。

b.低压渗碳和高压气体淬火工艺技术的应用

采用 (真空) 低压渗碳不仅使齿轮得到不氧化的表面, 而且与高压气体淬火相结合时使齿轮变形得到改善, 因而大大提高渗碳淬火齿轮表面残余压应力, 即相应提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度, 减少齿轮淬火畸变。对于生产能力较大的企业可采连续式多室炉。

c.稀土渗碳技术的应用

采用稀土渗碳技术, 在高碳势 (1.2%～1.5%) 下渗碳, 表面碳浓度即使达到很高, 但表层的碳化物形态和分布十分良好——细小而均匀分布, 并且减少齿轮表面非马氏体层, 增加渗碳齿轮表面残余压应力。稀土渗碳齿轮疲劳强度试验结果表明, 稀土渗碳可以大大提高弯曲疲劳强度和接触疲劳强度, 如表7。一汽在双排连续式渗碳炉上采用20CrMnTiH、20CrMoH及20CrNiMoH钢渗碳试验证明:在无稀土渗碳情况下, 零件表面非马氏体层深度为0～40μm;而在有稀土渗碳情况下, 零件表面非马氏体层深度为0～20μm。因此, 采用稀土渗碳技术, 可以明显提高齿轮的疲劳性能。

2.4 喷丸强化工艺的控制

为增加渗碳淬火后齿轮表面的压应力, 提高齿轮的弯曲疲劳强度, 目前国内外采用喷丸强化来确保其弯曲疲劳强度的提高, 尤其是齿根附近的强化处理。经喷丸强化处理后, 渗碳淬火齿轮残留奥氏体量减少, 内氧化层深度降低, 残余压应力提高, 相应提高了齿轮的弯曲疲劳强度。目前国外对齿轮的表面残余压应力要求为800～1 200 MPa, 单纯采用渗碳淬火工艺很难达到此应力指标要求, 即使采用喷丸强化工艺也需要一定的工艺才能达到此应力范围。强化尺寸的选择应确保齿轮的根部得到强化, 应确保弹丸直径小于齿根半径的一半。表8为某一试验齿轮的渗碳检验结果及喷丸处理参数。

试验证明, 当采用硬度为53～55HRC、喷射速度为90～100 m/s的丸粒进行强化喷丸时, 残余压应力峰值达到1 080 MPa。与渗碳淬火后不进行喷丸的齿轮相比, 实施强化喷丸的齿轮在损坏几率为10%时的弯曲疲劳强度提高48%。

采用喷丸强化工艺需要注意的是, 齿轮在渗碳淬火及回火后往往因存在内氧化软层而在喷丸强化处理后易产生应力集中, 易成为疲劳裂纹源的起点 (尤其在内氧化严重情况下) 。对此, 只有采用渗碳后期通氨气并进行有效控制以减少内氧化层的方法, 才能使强化喷丸真正提高齿轮的疲劳强度。

2.5 机械加工的影响

(1) 齿根的几何状态包括齿根圆角半径和表面粗糙度对齿轮弯曲疲劳强度有影响。齿轮轮齿根部圆角半径太小会引起应力集中, 降低齿轮的弯曲疲劳强度。对齿根圆角优化后, 齿根应力集中大大改善, 最大弯曲应力可减少10%～30%。

(2) 齿轮加工时在轮齿根部留有的加工刀痕常常会引起应力集中, 对于渗碳淬火齿轮高的表面即成为危险的缺口, 非常容易成为起始裂纹而降低齿轮的弯曲疲劳强度。因此, 必须保证轮齿根部表面加工粗糙度。

摘要：目前对重型汽车驱动桥锥齿轮疲劳性能的考核, 主要是进行轮齿的弯曲疲劳性能考核。汽车行驶过程中一旦发生轮齿折断, 齿轮将完全丧失其传递运动和动力的功能, 因此对齿轮弯曲疲劳性能的考核非常重要。试验表明, 齿轮材料与主要加工工艺对其疲劳性能影响很大。这些因素包括渗碳钢的化学成分、钢的纯净度和锻造、预备热处理、渗碳淬火、表面强化、机械加工等工艺。

汽车驱动桥齿轮 篇2

汽车驱动桥齿轮作为汽车动力传动系统中的关键零件, 普遍采用螺旋锥齿轮中最为复杂的准双曲面齿轮。准双曲面齿轮传动平稳、噪声低, 尤其是其主动轮轴线相对于被动轮轴线的偏置在汽车制造工业中具有特殊的优越性, 能使汽车的车身增高或降低, 从而提高汽车的越野性能和稳定性。在使用上的诸多优点, 使得人们对汽车驱动桥齿轮的啮合传动性能要求愈来愈高, 其高精度、高速度、低噪声等高品质性能目标对齿面几何精度及啮合传动质量控制也提出了更高的要求[1,2]。

从外观上看, 汽车驱动桥齿轮与一般弧齿锥齿轮很相似, 但是其齿面几何拓扑结构更加复杂, 轮坯的设计计算、制造工艺及机床调整加工等比一般弧齿锥齿轮要繁琐和困难, 与之相应的齿面展成技术、齿面检测技术以及齿面修正理论都较为落后, 丞待进行深入研究。

在美国、日本及德国等汽车制造大国, 汽车驱动桥齿轮的数字化闭环制造已经替代传统制造模式[3,4,5,6], 齿面检测技术已成为加工过程中不可或缺的重要环节, 其齿轮产品的几何精度和啮合质量等综合性能非常优越, 甚至达到了可互换的程度[7,8,9,10]。而在国内, 目前广泛以理论齿面的TCA分析作为汽车驱动桥齿轮的设计评价方法, 以传统的滚动检验作为轮齿啮合质量检验的主要手段, 存在切齿调整复杂、质量不稳定、生产效率低下等缺点, 这些缺点导致汽车后桥传动系统啮合质量、振动噪声及使用寿命等问题日益突出[2,11]。国内汽车齿轮的配套生产厂家为了提高齿面精度, 缩短加工周期, 也一直致力于齿轮几何结构和啮合性能的改善与提高, 除了引进国外先进设备外, 大批的国产设备也逐渐应用到汽车生产线中, 但齿面精度及接触区控制效果不佳。问题就在于在检测过程中对测量随机误差源的研究不够深入, 检测后的数据补偿处理及齿面误差计算不正确或不精确, 使得最终得到的齿面误差失真, 从而对实际齿面接触区调整与修正起到了误导作用。所以, 通过测量模型的正确构建与齿面误差的精确计算, 获取实际加工齿面的真实误差, 对汽车驱动桥齿轮齿面精度的数字化控制具有重要的现实意义。

鉴于此, 本文针对汽车后桥齿轮齿面误差的计算原理及精确计算方法展开研究, 通过对齿面数控展成与检测的深入分析, 基于国产齿轮测量中心的检测数据, 提出了一种汽车后桥齿轮齿面误差的精确计算方法。该方法有助于准确完成齿面检测, 有效减小测量随机误差, 从而获取实际齿面的真实误差, 为改善汽车后桥齿轮齿面几何精度, 提高其啮合质量提供理论和方法指导。

1 齿面的数控展成与误差检测

与一般锥齿轮相比, 汽车驱动桥齿轮主动轮的上下偏置以及其螺旋角远远大于被动轮螺旋角的特殊性增加了齿轮啮合的重叠系数, 提高了运动的均匀性和平稳性。同时, 主动轮齿形曲率变化大和齿面几何拓扑结构的复杂性[12,13]使得轮齿的齿面解析表达、切齿加工调整及齿面误差检测等更加困难。而其特殊的用途与优越的啮合性能对齿面几何精度和啮合性能要求又十分苛刻, 因此汽车驱动桥齿轮齿面的数控展成和数字化检测就成为提高齿面几何精度及啮合性能的重要技术手段[14]。

图1所示为汽车驱动桥齿轮的数控展成模型。在齿轮加工过程中, 通过控制3个直线轴 (X、Y、Z轴) 和2个旋转轴 (A、B轴) 的相对位置和运动轨迹 (即机床运动参数:X*、Y*、Z*、A*、B*等) 来确保齿面展成运动的准确性。该数控展成模型中, 坐标系Sf (OfXfYfZf) 与床身固连;St (OtXtYtZt) 和Sw (OwXwYwZw) 分别与刀盘和齿轮固连;Sh (OhXhYhZh) 和Sm (OmXmYmZm) 与坐标系Sf平行, 分别固连于Y方向滑台和Z方向滑台;Oh在Sf中的位置用坐标 (X*, Y*, 0) 表示, 用以描述X轴和Y轴自由度;Om在Sf中位置用坐标 (0, 0, Z*) 表示, 用以描述Z轴自由度;St绕坐标轴Zh转动, 转角为ϕ;Sp (OpXpYpZp) 为辅助坐标系, 原点Op位置由机床常数H和转角γ (轮坯根锥角) 确定, 转角γ描述B轴旋转自由度;坐标系Sw绕坐标轴Xp旋转的角度θ描述A轴旋转自由度。

在加工过程中, 数控铣齿机的各数控轴联动, 灵活控制被加工齿轮与铣刀盘在空间中的位置和运动, 然后通过复合空间运动可完成实际展成运动形成加工齿面。一个齿槽切削完毕, 各数控轴返回到初始位置, 工件箱后退, 同时被加工齿轮转过一定的分齿角度, 进入下一个切齿循环。反复进行即可完成所有齿面的加工。

数控展成的实际齿面只有与理论设计齿面几何结构相一致才能确保齿面啮合性能最优。这就需要在齿轮测量中心上通过对齿面进行检测来获取实际加工齿面偏离理论设计齿面的法向偏差。图2所示为汽车驱动桥齿轮齿面误差的检测模型。在该模型中, Sw (OwXwYwZw) 为在数控展成中与轮坯固连的工件坐标系, 测量坐标系Sc (OcXcYcZc) 为左手坐标系, 固连于齿轮测量中心上, 原点Oc位于测量中心回转工作台中心, 坐标轴Xc和Yc分别与Sp的坐标轴Yp和Zp平行, Zc与Xp反向。直线位移L与角位移θ分别确定了被测齿轮和被测齿面在坐标系Sc中的具体方位, 二者可在测量过程中通过间接测量或计算得到。

齿轮测量中心采用坐标测量原理, 实际上是圆柱 (极) 坐标测量机[4]。在齿轮测量过程中, 中心计算机根据被测齿轮齿面的理论数据控制各直线轴 (X、Y、Z轴) 和旋转轴 (C轴) 的运动, 同时齿轮不断转动使每个被测点法线方向的Y轴分量接近于0。与一般锥齿轮的齿面检测相比, 由于汽车驱动桥齿轮齿面曲率很大, 因此需要控制B轴旋转一定角度, 保证一维测头始终沿着被测点的法线方向与齿面靠近、接触。在测头沿齿轮齿面运动的过程中, 计算机不断采集各坐标轴的实际位置, 并存储起来, 这些数据记录了被测齿轮实际加工齿面的数据, 由计算机与理论齿面进行比较处理后得出实际齿面的齿面误差。

2 测量齿面的数字化处理

由齿面展成与检测的运动分析可知, 汽车驱动桥齿轮的齿面几何完全取决于数控机床和齿轮测量中心运动时的自由度参数。根据齿轮啮合理论和微分几何学原理, 齿轮齿面与刀具切削面是一对共轭曲面, 通过齿面展成的运动关系和啮合方程, 可以确定理论齿面的解析表达式。

假设机床运动参数Φj (j为机床运动参数个数, j=1, 2, …, m) 已知, 经过一系列的空间坐标变换与推导过程[11], 可以得到工件坐标系Sw下的理论齿面H0和单位法矢n0:

为了便于齿面的精密测量与数据处理, 需要对齿面点进行数字化处理, 并确定各点的空间坐标和法线方向。根据美国齿轮制造商协会标准, 一般取45个齿面点[11,13], 如图3所示。

M*为齿面上任一被测点。由齿面的平面几何关系可确定M*点在旋转投影面中的坐标 (x*, y*) , 该点与理论齿面H0上第i点 (i为齿面测量点序号, i=1, 2, …, 45) 的坐标 (xi, yi, zi) 有如下关系:

机床运动参数Φj已知, 利用优化方法或数值迭代求解式 (2) , 可得到各被测点的齿面参数θ和ϕ, 将其代入式 (1) 即可得到Sw下的齿面理论坐标和法矢。

坐标系Sw下的理论齿面H0 (θ, ϕ;Φj) 和法矢n0 (θ, ϕ;Φj) 经过由Sw到Sc的空间转换矩阵Mcw的变换, 即可得到Sc下的理论齿面H (θ, ϕ;Φj) 和单位法矢n (θ, ϕ;Φj) :

式中, β为坐标系Sc与Sw的转角偏移量。

从理论上讲, 齿面检测后得到的是测球球心的运动轨迹坐标, 因此需要对理论齿面进行测头半径补偿处理。假设测头半径为ρ, 得到Sc下测头的理论运动轨迹面He:

He (θ, ϕ;Φj) =H (θ, ϕ;Φj) +ρn (θ, ϕ;Φj) (4)

这就是齿面检测所必需的理论数据, 同时也是进行齿面误差精确计算的基础。齿轮测量中心可以根据此数据完成整个齿面检测。

3 齿面误差的精确计算

在汽车驱动桥齿轮的设计与加工过程中存在许多影响齿面精度的因素, 如切齿计算的近似性、机床几何及运动精度误差、热力变形、机床运动调整误差及刀盘误差等。这些因素的存在造成了实际加工齿面偏离理论设计齿面, 产生齿面误差。生产实践和统计学原理证明, 汽车驱动桥齿轮的这种齿面误差是各种精度影响因素的综合反映, 具有一定的稳定性和重复性, 能够被测量和储存, 因此就可以在重复加工中进行修正补偿来减小或消除。在实际的加工测量过程中发现, 切齿计算误差、机床几何及运动精度误差、热力变形等影响因素的修正补偿均可以通过机床运动参数和刀盘参数来予以转化或替代, 所以借助于机床运动参数和刀盘参数的修正可以达到消除或减小齿面误差的目的[13]。因此, 真实齿面误差的获取和精确计算就成为改善齿面几何精度的前提条件。

如图4所示, 齿面误差δ的计算原理大体分两种。

(1) 方法1。

齿面误差δ通常在H的法线方向n上进行度量, 定义为实际齿面H*偏离理论齿面H的法向距离[15]。对理论齿面H上一点P0, 过其法矢n, 找到与P0对应的实际齿面H*上的点P*, 计算这两点之间的偏差即为齿面加工时在P0点所形成的齿面误差δ:

δ= (H*-H) ·n (5)

图4中P0P*是齿面误差δ的几何描述。

(2) 方法2。

齿面误差的存在使得实际齿面H*的法线方向n*往往偏离理论法线n, 以实际齿面点P*为初始基准点, 沿实际齿面法矢方向n*找到理论齿面上与实际齿面点P*对应的点P1, 对应点之间距离P1P*即为齿面误差δ*:

δ*= (H*-H) ·n* (6)

图4中, P1P*是齿面误差δ*的几何描述。

令τ为法线n*过P*与n的微小夹角, 即实际齿面法矢因齿面误差的影响而在空间转过的角度 (图4) 。两种齿面误差计算方法的差异的数学描述为

τ一般较小, 将cos τ展开为级数并略去高次项, 式 (7) 可表示为

$(\delta -\delta {}^{*})\mathit{n}\approx \frac{1}{2}\tau {}^2(\mathit{{\rm H}}{}^{*}-\mathit{{\rm H}})$ (8)

可以看到, 两种齿面误差分析模型计算值的差异仅与τ和δ相关。τ决定于 (n, n*) , δ决定于实际齿面精度。若齿面精度较高, τ和δ就较小, 两误差模型的差异将十分微小, 可忽略不计。但汽车驱动桥齿轮的齿面曲率变化较大, 这种差异不容忽视。方法2由实际齿面点寻找理论齿面上对应点时, 理论齿面已经解析表达, 避免了齿面重构时的拟合误差;方法1由理论齿面点寻找实际齿面上对应点时, 需要对检测数据进行曲面重构, 这样必然带入拟合误差, 有可能掩盖真实加工误差, 不利于齿面精度评价和机床参数反调。但是, 在齿面测量过程中, 采样点的个数远远大于理论齿面测量点的个数, 若采用非均匀有理B样条对实际齿面测量点进行拟合, 必有较好的保凸性, 不会造成实际加工信息损失, 有利于确保评定精度。另外, 汽车驱动桥齿轮齿面在数控展成和误差检测中都是以理论设计齿面为基础的, 因此, 无论是从误差评定的准确程度, 还是数控展成和误差检测的便捷程度, 选用方法1来分析与计算齿面误差将更加准确方便。

由式 (5) 可知, H上每一点均有唯一一个δ与之对应, 因此, δ是H上点的函数, 即曲面坐标 (θ, ϕ) 的函数, 而 (θ, ϕ) 又由机床运动参数Φj决定, 即Φj是δ的参变量。所以

H*=H+δ (θ, ϕ;Φj) n (9)

实际齿面的法线n*造成了空间夹角τ的存在, 会对齿面的测量产生一定影响, 是测量误差的来源之一。n*可表示如下:

因此, 测量坐标系下测头的实际运动轨迹面H*e可表示为

H*e=H*+ρn* (11)

值得一提的是, 在汽车驱动桥齿轮齿面这种复杂曲面的测量过程中, 并不能做到实际加工齿面和理论齿面完全重合。为了减小或消除测量基准不重合误差及齿距误差, 需要对测头的实际运动轨迹面H*e进行适当的平移和旋转等坐标变换, 使得变换后的H*e与理论齿面充分吻合[15]。因此, 利用参数曲面的几何不变性, 将H*e与He进行曲面匹配后并作比较, 得

H*e-He=H*-H+ρ (n*-n) (12)

将式 (9) 代入式 (12) , 得

H*e-He=δ (θ, ϕ;Φj) n+ρ (n*-n) (13)

式 (13) 两边与法矢n作点积, 得

(H*e-He) ·n=δ (θ, ϕ;Φj) +ρ (cos τ-1) (14)

式 (14) 可写为

可以看出, Δε是关于ρ和τ的函数, 而τ则与齿面误差δ有直接联系, δ越大, 法线方向n*和n的空间夹角τ越大。例如, 测头直径ρ=1.0mm, τ=1′, 则Δε=0.14μm。由此可见, 如果ρ或τ较大, Δε就是测量中的一项重要误差源。因此, 采用小直径测头是减小测量误差的重要手段。

一般情况下, Δε较小, 甚至可以忽略不计。忽略Δε则有

He (θ, ϕ;Φj) +δ (θ, ϕ;Φj) n (θ, ϕ;Φj) ≈H*e (16)

将式 (4) 代入式 (16) 整理得

H (θ, ϕ;Φj) + (ρ+δ (θ, ϕ;Φj) ) n (θ, ϕ;Φj) ≈H*e (17)

由于测头直径ρ和机床运动参数Φj为已知量, 测头实际轨迹面H*e由齿面测量后进行曲面拟合得到, 理论齿面H和法矢n经理论计算确定。因此, 式 (17) 是一个以δ、θ和ϕ为变量的非线性方程组, 优化迭代求解即可得到真实齿面误差。同样, 如果需要进行齿面误差修正, 则δ为已知量, 以Φj、θ和φ为变量进行优化迭代, 寻求最佳机床参数Φ*使得δ趋于最小即可。由此可见, 式 (17) 体现了齿面误差计算与齿面修正的可逆求解过程, 反映了齿面偏差δ与曲面参数θ、ϕ和机床运动参数Φj之间的映射关系。

4 实验验证

以一对汽车后桥齿轮为例来验证其齿面误差分析与精确计算的正确性与有效性。齿轮几何参数如表1所示。被加工大轮在一次装夹中用双面刀盘同时铣削凹面和凸面;被加工小轮轮齿的凹面和凸面采用不同刀盘、不同机床运动参数分别加工。通过给定初始展成位置及插补步长, 并结合测量齿面的数字化处理, 即可得到展成时各联动数控轴的瞬时运动轨迹位置, 如表2所示。

根据齿面展成与检测的运动关系分析及测量模型, 首先建立理论齿面及法矢方程, 见式 (1) 。运用空间坐标转换技术, 进行理论齿面H的数字化处理;选取测头直径ρ=1.5mm作测头半径补偿处理, 并根据式 (4) 得到齿面检测所必需的测头理论运动轨迹坐标;基于此坐标, 采取点阵式接触测量方法 (图3) , 测量定位基准面选取与设计基准一致, 在JD45+型齿轮测量中心上对试切后的小轮进行实际齿面检测, 获取测头实际运动轨迹坐标H*e。

采用JD45+型齿轮测量中心检测数据来验证本文计算方法和实验结果的有效性, 该仪器的精度——齿形示值误差、齿向示值误差以及仪器示值变动性 (重复性精度) 分别为1.6μm、1.7μm和0.6μm, 符合国家标准GB/T 22097-2008和企业标准Q/HAD 001-2010。齿面检测及规划流程分别如图5和图6所示。

严格来讲, 实际齿面检测后得到的是测头中心的实际轨迹, 因此实际加工齿面H*的确定可以通过测头半径的第二次补偿处理得到;另外, 由于汽车齿轮的特殊性和复杂性, 为确保齿面数据处理及修正的准确性, 需要根据加工和检测中的角位移θ, 利用微分几何原理进行坐标转换, 使得整个轮齿面处于测量前的初始位置, 然后运用优化方法进行齿面的最佳匹配来补偿轮坯安装误差、齿面定位误差及随机性误差对测量结果的影响;最后进行实际齿面重构得到测头实际轨迹面H*e。此时, 测头直径ρ、机床运动参数Φj、测头实际轨迹表达H*e、理论齿面H及法矢n均完全确定, 进行测量误差补偿处理后并利用非线性方程式 (17) 即可精确计算齿面误差值, 如图7所示。由齿面误差分析可知, 齿面误差越大, 则法矢n*与n空间夹角τ越大。为了确定测量误差对齿面误差计算的影响大小, 笔者提取了程序运行的中间变量, 得到齿面误差δ=0.1900mm处的法矢n*与n的夹角τ=0.025°, 得到Δε=0.47μm。可见, 测量误差对精确计算齿面误差产生了一定的影响, 需要进行补偿处理以确保计算误差的真实性。

为了验证齿面误差计算方法的正确性并提高实验结果的可比性, 在使用三维测头的M&M 3525测量中心上对同一轮坯的同一齿面也进行了测量, 测量结果如图8所示。

由图7和图8的齿面误差拓扑图可以看到, JD45+型测量中心上测得的小齿面测量误差的总体趋势和M&M3525型测量中心上测量结果保持一致, 从而说明了所构建的测量模型和齿面误差计算方法的正确性。从图中还可以看到, 齿面误差最大差值在0.01mm以内。究其原因大致有:①三维测头与一维测头的工作原理、测量方法以及在齿面检测过程中对法线方向和测球接触位置等测量误差的补偿处理不同, 使得测量数值存在微小差异;②测量过程中测量参考点的选取位置、测量区域大小及定位基准等因素可能导致差异;③测头的球度也是影响测量结果重复性和准确性的重要因素之一。

为了更充分地验证误差计算方法的正确性, 对配对的大轮也进行了齿面加工和测量, 具体过程与小轮类似, 测量结果如图9和图10所示。可以看到, 大轮测量结果也是一致的, 充分表明该模型和计算方法是正确有效的。

5 结语

汽车驱动桥齿轮加工测量实验的结果表明本文所提出的齿面误差精确计算方法是切实可行的, 同时在汽车齿轮生产中大量的实际应用也证明了该方法的实用性和正确性。该方法不仅为汽车驱动桥齿轮的齿面精度改善及数字化闭环制造生产线的顺利实施提供了技术支持, 同时也为国内高品质的奥利康汽车齿轮制造提供了有价值的参考。

摘要：为精确获取汽车驱动桥齿轮实际加工齿面的真实误差, 改善汽车齿轮的齿面精度, 结合汽车驱动桥齿轮在传动方面的优越性及其在机床调整计算、加工方法和齿面测量等方面的特殊性, 对其齿面数控展成与数字化检测的运动关系进行了深入分析;鉴于汽车驱动桥齿轮齿面拓扑结构的复杂性, 结合齿面误差计算原理, 在实际加工齿面检测信息的基础上, 提出了一种汽车驱动桥齿轮齿面误差的精确计算方法;最后, 通过齿轮齿面加工测量结果的比对, 验证了该齿面误差精确计算方法的正确性和有效性。

双齿轮渐近同步驱动系统设计 篇3

双齿轮渐近同步驱动系统属于伺服同步驱动系统,具有驱动功率大、运行平衡、同步精度高、操作方便等优点,广泛应用于大负载、长跨度的设备中,以增加设备刚度、缩小总体尺寸并且还能防止驱动元件因受力不平衡而发生扭转变形,如轨道拖拽、龙门设备、自动升降等系统。

目前,国内外许多专家学者对伺服电机同步驱动系统进行了深入研究[1,2,3],并取得了一系列研究成果。如大功率全电动折弯机多轴同步驱动研究[4],该系统采用力矩与位置控制双重跟踪模式进行系统解耦的原理,可以很好地解决多个电机系统的同步控制性能和快速响应控制性能的问题。但该系统结构采用了转矩控制,控制结构复杂,不适用一般伺服系统;又如基于CAN总线的多伺服电机同步控制[5],该系统以控制器为核心的现场总线控制系统,具有同步控制性能好、各伺服单元不互相干扰、控制精度高、维护方便等优点。但该系统没有考虑电机之间受力不均衡的问题。

针对以上不足之处,以及电气伺服同步驱动在实践应用中的高精度、稳定可靠、操作简便等要求,笔者将设计一种基于电气伺服驱动的双齿轮渐近同步驱动系统。

1 工艺原理及性能分析

1.1 工艺原理

为了达到系统的设计目标,笔者设计的系统主要任务是在一个主动齿轮驱动负载齿轮的基础上逐渐添加第2个主动齿轮以实现大功率驱动的目的。实现这2个齿轮的正确啮合,需要做到以下两个方面(系统工艺原理图如图1所示):

(1)定义系统基准点;

(2)同步误差分析及其渐近啮合。

ω1(t),ω2(t)—主动齿轮1和主动齿轮2的实际角速度;θ—两个主动齿轮的Z相基准点的原始偏离角度

两个主动齿轮与负载齿轮正确啮合后,高精度编码器此时输出一个Z相脉冲,作为主动齿轮的基准点,代表零位参考位。Z相基准点1为主动齿轮1的基准点,Z相基准点2为主动齿轮2的基准点。假设系统启动时,齿轮实际的偏离角度为θ1。当满足θ1=θ+(n⋅360/z)时,齿轮能正确啮合;否则下位机控制系统对伺服电机的转速进行同步协调控制,直至两个主动齿轮的角度关系满足θ1表达式:

式中:z—齿轮的齿数,n—小于齿轮z的整数。

系统基准点确定后,本研究进行同步分析及其渐近啮合。在主动齿轮1驱动负载齿轮基础上,实现主动齿轮2沿着图中渐近啮合方向同负载齿轮渐近啮合,从而完成了增大驱动功率的目标。

1.2 性能分析

根据所要设计目标的要求,系统要在一个主动齿轮驱动负载齿轮基础上渐近啮合另一个主动齿轮。该过程中双齿轮驱动的具体设计要求如下:

(1)伺服电机转速。额定转速3 000 r/min,最大转速5 000 r/min。

(2)精度要求[6]。按照最小侧隙计算可选侧隙为0.12 mm,相应的角度为0.115°。

2 机械系统设计

根据设计目标要求,笔者设计的双齿轮渐近同步驱动系统的机械结构如图2所示。该驱动系统主要由两套伺服电机及配套伺服驱动器、两套主动齿轮、编码器、轴承支座及基板、固定板、移动板、扳手、滚珠丝杆和负载齿轮等构成。其中滚珠丝杆、扳手等构成滚珠丝杆副传动模块。

基板通过地脚螺栓固定于地面上,该基板固定安装有滚珠丝杆副传动系统和固定板,其中丝杆副传动板上安装有移动板。固定板和移动板上各安装有伺服电机及主动齿轮。两个轴承支座上各安装有一个高精度编码器作为位置测量装置,用来采集主动齿轮的位置和速度信息。

3 电气控制系统设计

3.1 电气原理介绍

典型的多轴同步控制是将编码器采集到的信号传递到控制中心,经过控制器的分析计算从而输出控制信号[7,8]。双齿轮渐近同步驱动系统的电气控制系统(如图3所示),由两大功能模块组成:

(1)上位机控制系统。监控主动齿轮的运动状态,并且具有报警指示功能。

(2)下位机控制系统。使用台达数控系统并基于PID算法的运动控制,用来控制主动齿轮的位置和速度,并具有同步误差过大时的急停保护功能。

上位机系统作为监控界面及操作员指令下达窗口,主要功能是接受界面输入的位置指令或者速度指令,通过MPI与下位机进行通讯,控制伺服电机的运动;实时监控主动齿轮的运动状态,并且在同步误差超出允许啮合范围时具有报警功能;存档数据并进行调用。

下位机是齿轮同步的控制中心,主要利用PID控制算法控制伺服电机的运动,完成齿轮同步的具体控制工作。MPI是SIMATIC S7多点通信的接口,是一种适用于少数站点间通信的网络,多用于连接上位机和少量PLC之间近距离通信。下位机通过MPI通讯与上位机系统相连,现场的状态及对现场的处理都通过MPI通讯与上位机系统沟通,并与上位机系统一起完成齿轮的同步控制。

3.2 具体选型与设计

电气系统控制元件主要包括:

(1)台达NC300数控系统;

(2)ASDA-M三轴伺服驱动器;

(3)伺服电机ECMA-C10604RS;

(4)欧姆龙编码器E6B2-CWZ6C,分辨率1 800 P/R。

3.3 电控软件设计

为了更加直观和简便的控制齿轮的同步运动,笔者设计的上位机操作界面如图4所示,由以下几个模块组成:

(1)转速设置。分别设置两个电机的转速。

(2)电机启停。由1号电机启停和2号电机启停子模块构成。

(3)PID参数整定[9,10,11]。用于输入PID算法的3个增益。

(4)同步启停。当电机转速设置好后,即可实现电机的同时转动和停止。

(5)误差曲线。用于显示电机之间的速度和位置

误差。

(6)误差报警及确认。当误差超过设计范围时,误差报警指示灯闪亮变红;当误差确认后,按下误差确认按钮,系统回复初始状态,继续进行调试。

(7)正/反向。用来控制电机的运动方向。

(8)返回。

上述几个模块的动作具有严格的先后顺序。电机启停只是用来分别测试两个电机的运动;误差曲线只有在同步启停按钮动作后才有效果;PID参数只有在误差曲线调出来后才能输入到系统中。

4 系统实验

为了验证双齿轮渐近同步驱动系统的同步控制效果,搭建试验台进行了实验验证。笔者进行试验时保存下来的一组位置误差曲线如图5所示。实验数据表明两个电机的位置同步误差保持在0.3°之内,满足设计要求。实验结果表明,该系统具有同步精度高、稳定可靠、抗干扰能力强等优点。

5 结束语

针对多齿轮同步驱动技术在实践生产中的广泛应用,基于机械、电气控制技术,笔者设计了一种双齿轮渐近同步驱动系统并进行了实验验证。该系统利用编码器实时高频采集伺服电机的运动信号,采用伺服全闭环控制技术,对同步误差进行PID运算,实现了双伺服电机的高精度同步功能。

笔者给出了双齿轮同步驱动系统工作原理图以及相应的伺服控制方案及其结果。首先,给出了系统的工艺性能,定义了系统基准点,以便系统可以在任何情况下实现动态啮合;其次,介绍了系统的机械结构模型;最后,设计了系统的上位机与下位机系统,并对实验结果进行分析记录。

汽车驱动桥齿轮 篇4

井下胶带输送机驱动系统, 主要分为两种, 一种采用矿用隔爆型笼式异步电动机, 经液力偶合器、减速器传动滚筒带动胶带运动, 这种传统的传动方式具有明显的缺点。另一种是经技术改造后的驱动系统采用了无齿轮永磁同步电机变频驱动系统, 即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力传递。它的研发及成功应用, 起到了节能减排的作用, 为我矿运输生产效率奠定了基础。绿色矿用设备将成为一种趋势。

1 无齿轮永磁电机变频驱动系统的原理及应用

系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式, 由整流桥、三相逆变电路、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成。50 Hz的市电经整流后, 由三相逆变器给电机的三相绕组供电, 三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩, 拖动转子同步旋转, 通过位置传感器实时读取转子磁钢位置, 变换成电信号控制逆变器功率器件开关, 调节电流频率和相位, 使定子和转子磁势保持不乱的位置, 才能产生恒定的转矩, 定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化, 使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场, 通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相, 代替了机械换向器。

正弦波永磁同步电机属于自控式电机, 电念头的定子反电势和电流波形均为正弦波, 并且保持同相, 其可以获得与直流电机相同的转矩特性, 而且能实现恒转矩的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。通过与井下胶带滚筒的配合运行。

2 紫金煤业无齿轮永磁电机变频系统应用的优越性

传统的带式输送机驱动系统采用异步电动机经液力耦合器, 减速器将动力传送给滚筒带动皮带运动, 这种传统驱动方式的缺点是: (1) 异步电动机→液力耦合器→减速器→传动滚筒, 要经两道机械环节, 传动环节多, 机械效率低。 (2) 重载起动困难:当胶带输送机满载运行中, 因故停止运转时, 再次起动非常困难, 造成停产时往往要调大量人员清理胶带上的煤炭, 才能重新起动胶带输送机。 (3) 常对液力耦合器、减速器等部件进行保养、维护、且更换频率较高。 (4) 驱动系统能耗高、噪音大。

无齿轮永磁同步变频驱动系统即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力的传递。它具有以下特点: (1) 高效、节能:取消了液力耦合器和减速器, 与原系统效率相比提高7%, 所需永磁同步电机功率为34 k W。 (2) 低噪音、免维护:取消了减速器和液力耦合器, 系统震动和噪声大大降低;节约了因更换、检修、日常维护减速器和液力耦合器及齿轮等磨损零部件投入的费用;节约了由于起动不平稳造成皮带被拉裂而投入的采购费用。 (3) 输出转矩大、运行平稳:利用变频器的调速功能实现带式输送机的缓慢起动, 可实现重载起动。 (4) 结构紧凑、体积小、重量轻:单台永磁同步电机, 单台变频器。

现以我矿1206材料巷综掘工作面用的DSP1080/1000型带式输送机为例来分析减少成本、节能问题。

1) 节约成本:该系统节省了传统皮带机系统中购买减速器、液力耦合器的成本, 以DSJ1080皮带机为例, 所需减速器的价格为8 000元, 液力耦合器价格为5 000元, 1台皮带机需要2台减速器及2台液力耦合器, 因此, 可以节省26 000元。由于该系统是变频起动, 因此, 可以减小起动过程对皮带的冲击, 经计算皮带材料可由原先的PVC800S降低为PVC680S。PVC800S价格为150元/m, PVC680S价格为130元/m, DSJ80皮带机一般皮带长为800 m, 皮带可以节省16 000元。每台DSJ80皮带机节省的直接成本为42 000元。

2) 节约能量:传统的DSJ80皮带机由2台轻载效率为80%的55 k W三相异步电机驱动, 而现有的DSP1080/1000型带式输送机用1台效率为93%的160 k W无齿轮电机驱动, 皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。表1是两种配置的能量损耗与各种费用对比。

皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。由表1可知, 在电机生命周期内无齿轮永磁同步变频驱动系统可以节约电能1 351 680 k Wh, 节约总费用1 061 008元。

由上图可知, 传统驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重少, 仅为2%, 但后期电费、维护成本很高分别为85%和13%, 因此, 传统驱动系统的各项费用分配不合理, 总费用很高。无齿轮驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重为9%, 后期电费、维护成本分别为88%、3%, 因此, 无齿轮驱动系统各项费用分配比较合理, 一次投入比例稍大, 但维护费用所占比例低, 总费用节省很多, 该系统的各种费用所占总费用的百分比, 与发达国家相接近。

该传动系统, 根据工矿实际将原系统的双驱 (2台电机, 每台电机电流为30~40 A) 改为现在的单驱 (单台电机电流仅为20~30 A) , 比原系统的电流降低了40~50 A, 节能效果显著。

3 结语

汽车驱动桥齿轮 篇5

齿轮减速机在各行各业中使用十分广泛,是一种不可缺少的机械传动装置。国内的减速机其传动形式仍以定轴齿轮传动为主,在传动原理和结构上与本项目类似或相近,都为齿轮减速器。但是当前减速机普遍存在着体积大、重量大,或传动比大而机械效率过低的问题,而当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此,除了不断改进材料品质、提高工艺水平外,还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新,出现了平动齿轮传动原理,而减速器与电动机的连体结构,也是大力开拓的一种新形式,目前已有生产此种结构形式的产品。

建筑施工升降平台是高层、超高层建筑施工必不可少的设备。而专业用减速机是施工升降平台上必不可缺的一个主要设备。但目前,我国的施工升降平台用减速机产品结构不甚理想,品种大多数大同小异,基本形式都为齿轮传动、锥齿传动、蜗轮蜗杆传动的单驱动单输出减速机。在激烈的市场竞争中,要想突破,必须进行技术创新。因此南宁七彩虹印刷机械有限责任公司公司与广西建工集团建筑机械制造有限责任公司联合研发设计了一种升降平台上的新型减速机——单驱动双输出减速机。

2 减速机机构定位与使用要求和外部条件

2.1 分析及确定机构方案

此种减速机为用于建筑施工升降平台中的专用减速机,是在室外露天高空作业、周围环境恶劣、无特殊防护和保养的野外工作设备,因此需要驱动机构具备体积小、重量轻、运行可靠、结构部件耐用、便于维护、密封性能好等特点。分析目前在国内齿轮齿条升降机械驱动机构中应用的减速机,有蜗轮蜗杆传动类和齿轮传动类两大类;齿轮传动类中又分有平行轴式和直交轴式(伞齿轮、锥齿轮式),无论哪一种类形式都是单驱动单轴输出的传动方式,而蜗轮蜗杆传动与直交轴式(伞齿轮式)的减速机结构较为复杂,体积大、重量大,传动效率低,能耗相对大。齿轮齿条升降机械的驱动机构为三(或二)传动方式,即用三台(或二台)减速机作为各自独立的驱动机构,这样的方式机械传动效率低、能耗大。为了提高传动效率降低能耗,机械传动系统改用了硬齿面齿轮传动,电气系统改用了变频系统,即目前市场上广泛使用的二传动方式。这样的改进较原三传动方式的效率和能耗在一定程度上得到了良好改善,但无论三传动方式还是二传动方式,由于单驱动单输出的传动方式,驱动机构重心与驱动齿轮齿条的距离较大,并且二台减速机作为各自独立的驱动机构,同时驱动,难以做到很准确地同步运行,则运行过程中齿轮与齿条的啮合间隙会变大使升降平台产生振动。若是在齿轮齿条升降机械驱动机构上应用一种结构紧凑的单驱动双驱动输出减速机,由一个驱动力(电动机)输入,经过其内部齿轮轮系的I级和Ⅱ级减速后,由齿轮传动链分配分出两个动力输出,两个动力输出分别通过两条输出轴上的外端同步齿轮同时同步与同一齿条啮合传动,从而驱动施工升降平台,就可以克服三传动方式和二传动方式的不足,达到节能降耗、传动平稳、使用寿命长的目的。因此,最后确定减速机的机构方案为平面齿轮传动单驱动双输出减速机,如图1所示。

2.2 减速机使用要求和外部条件数据

根据配套的施工升降平台的运行升降速度技术要求,减速机的升降速比定为14:1,平面齿轮传动,减速器与电动机的连体结构,即电机轴直接与减速机输入轴连接,两条输出轴为上、下对称分布安装,上、下齿轮与外部直立安装的齿条啮合,驱动升降平台进行上下运动,升降平台的额定载荷为2t。

2.3 选择和确定方案及各传动结构设计

2.3.1 电机的选用

根据建筑施工升降平台的工作情况和工作的外部条件,以及根据《中华人民共和国机械行业标准——圆柱齿轮减速器通用技术条件》中3.1.1-(d)技术要求,高速轴的最大转速不超过1 500 r/min,结合此项减速机上电机与输入轴直接连接,电机转速即为高速轴的转速,所以确定选用型号YZZ132M-4调频电机,电机的功率为W=15 kW,转速N=1 440 r/min,该型号电机具有调频、带自刹车和自散热结构,有编码器和可控程序编码模块,针对于施工升降平台工作中出现上升时载荷较大,下降时载荷较小甚至空载情况,调频电机可以调整功率输出的大小而节能降耗,带自刹车可以保证升、降、停止平稳可靠,提高了施工升降平台的安全性能。

2.3.2 传动比分配和Ⅰ级、Ⅱ级传动的各齿轮确定

减速机各级传动比的分配,直接影响减速机的承载能力和影响其体积、重量和传动的平稳性。传动比一般按以下分配:使各级传动比大致相近;可使减速机的尺寸与质量较小;对于多级减速传动,可按照“前小后大”(由高速级向低速级逐渐增大)的原则分配传动比,且相邻两级差值不要过大。这种分配方法可使各级中间轴获得较高转速和较小的转矩,因此轴及轴上零件的尺寸和质量下降,结构较为紧凑。

因为总减速传动比I=(Z2/Z1)×(Z4/Z3)=14/1,又考虑到输入轴为齿轮轴且与电机相连接,轴径不应过小,为φ55～φ60 mm,因此根据计算,确定主动齿轮取为Z1=30齿,Ⅱ级主传动齿轮齿数不宜少于根切的17齿,以便于齿轮的加工,因此Ⅱ级主动齿轮取为Z3=19齿。同时根据施工升降平台的外接齿轮与齿条啮合的技术要求,两个外接同步齿轮的安装间距为L=12P+0.5P=Mπ(12+0.5)=3.142×8×12.5=314.16 mm。其中对接的齿条的节距P=Mπ,齿条的模数M=8。经过计算取Z4(A)=Z4(B)=88齿较为合适。最后根据以上各参数进行计算,Z2=90.7,则取整数为Z2=91齿。

因此计算总减速传动比I=(Z2/Z1)×(Z4/Z3)=91/30×88/19=14.05/1,结果符合施工升降平台的运行升降速度技术要求,同时也符合传动比分配原则,由此确定了各级齿轮的齿数如下:Z1=30,Z2=91,Z3=19,Z4=88。

2.3.3 各级齿轮参数及设计计算

由于减速机是用在施工升降平台上,其传动功率较大,工作速度较低,高空露天作业环境较差,因此齿轮和齿轴均选用45号钢材料,调质至HB210-240,同时确定采用硬齿面传动,齿部表面渗碳,层深1～1.5,齿面硬度HRC50-55,使传动零件有较高的强度和硬度,不易磨损。又根据同级别载荷的施工升降平台减速机的齿轮计算,并查设计手册取国家标准系列模数,第1级传动的齿轮、齿轴模数M=2,第2级传动的齿轮、齿轴模数M=3。为了保证传动的平稳,采用了斜齿轮啮合传动,根据减速机的整体传动布置以及与施工升降平台上安装对接的位置条件,1轴与2轴的中心距,2轴与3轴的中心距,由此计算得,10.625°;最后计算出各个齿轮数据。齿轮1:Z1=30,M=2,β1=10.346°,分度圆直径D1=60.992,齿顶圆D=64.992。齿轮2:Z2=91,M=2,β1=10.346°,分度圆直径D2=185,齿顶圆D=189。齿轮3:Z3=19,M=3,β2=10.625°,分度圆直径D1=57.994,齿顶圆D=63.994。齿轮4:Z4=88,M=3,β2=10.625°,分度圆直径D1=268.605,齿顶圆D=274.605。

4 减速器传动部件的主要强度计算

4.1 电机与轴连接的平键强度计算

YZZ132M-4电机参数:15 kW;1 440 r/min,电机轴径38mm。最大扭矩T=(9 550 P/n)×1.6=(9 550×15/1 440)×1.6=159.2 N·m;查手册45号钢材料许用挤压应力为σp=100 MPa;平键承受的挤压应力为σ=2T×103/(h/2×L×d)=2×159.2×1 000/(8/2×60×38)=34.91 MPa。

根据计算σ=34.91 MPa≤[σ]=100 MPa,应该在可用范围内。根据手册的推荐,平键的抗剪强度应远大于抗挤强度,因此只需校核键的抗挤强度即可。

4.2 轴的连接强度计算

由于输入轴与电动机直接连接,是高速轴,所承载的负荷最大,同时还是空心轴,而后传动的2轴、3轴为低速轴,并且轴径D2、D3均大于D1,因此确定对输入轴进行强度核算即可。查手册45号钢材料的扭转剪切极限应力为[τ]=40 MPa。根据设计参数,D=φ60mm (输入轴外径),d=φ38 mm (输入轴连接电机内孔径),β=d/D=38/60=0.633 3,对于空心轴:(1-0.633 34)/16]=4.48 MPa。根据计算T=4.48 MPa≤[τ]=40 MPa,应该在可用范围内。

5 减速机安装调试与改进及机器运行试验

5.1 减速机的安装调试与产品改进

减速机的整体设计以及各零件设计计算完成后,即作出各部分零件的CAD图纸,进入零件生产以及减速机试制的过程,并且很快就制造出新型减速机的样机。在安装和调试减速机的过程中,我们通过实际操作和运行试验,取得了确实的实际数据,为下一步的结构优化、改进提供了依据。在安装减速机时输入轴内孔必须与其专配电动机的输出轴直接连接安装,并保证螺栓紧固。此时电机轴与输入轴内孔的配合太紧会难以装配,太松则会影响结构运转的平稳,比较理想的是应有0.025～0.04的间隙,据此我们修改了零件的尺寸数据。

5.2 减速机的运行试验及检验

减速机安装在施工升降平台时,具体的安装技术要求由配套的建筑施工升平台驱动机构的安装规定来确定。安装完毕后,必须按建筑施工升降平台的安全规程进行全行程运行测试,以确保平台运行安全。产品出来后,我们把减速机装在机器试验平台上进行实际运行和载荷测试、温度测试、噪声测试,经过按室外工作环境负载3T运行24 h,检测减速机温度为50℃,噪声为75～80 db (A),以上数据表明负载大于额定设计载荷2T,而温度、噪声均小于技术条件中规定的80℃和85 db (A)的要求。经过3个月的运行,达到了建筑施工升降平台减速机的技术要求标准。而后我们又将双输出减速器安装到建筑工地的建筑施工升平台上进行工况运行试验,即按照实际工作环境的条件下机器连续运行了2个月,然后检测减速机的情况,最后得到该减速机的载荷运行、温度、噪声等数据,与前期在机器试验平台运行得出的实际数据一致,说明了该减速机结构稳定,运行可靠。由此新型的单驱动双输出减速器已完成设计和试制,可以定型投入批量生产。

6 结论和申报国家专利

此新型单驱动双输出减速机是专门配套于建筑施工升降梯驱动机构的专用减速机,是一种结构紧凑、体积小、整机重量轻、传动结构合理、节能降耗、传动平稳、传动效率高、技术成熟的新型减速器,其结构形式为“平面式二级圆柱齿轮单驱动双出减速机”,结构特点是由一个驱动力(电动机)输入,经过其内部齿轮轮系的Ⅰ级和Ⅱ级减速后,由齿轮传动链分配分出两个动力输出,两个动力输出分别通过两条输出轴上的外端同步齿轮同时同步与同一齿条啮合传动,从而驱动施工升降平台。

在建筑施工升降平台的驱动机构上应用此种型号减速器,可以使得升降平台在运动中始终保持较佳的平稳状态,运行安全可靠,同时在很大程度上提高施工升降平台的节能降耗水平。目前,在国内市场上还未见有类似型式的减速器使用在建筑施工升降平台上,因此在2013年8月就此型减速器向国家专利局申请了“实用新型单驱动双输出减速器”的专利,并已于2013年8月获得批准,取得实用新型设计和实用新型技术的专利(专利号:201320240563.9,专利名称:平面式单驱双出减速机)。

摘要：建筑施工升降平台是高层建筑施工必不可少的设备。而专业用减速器是施工升降平台上必不可缺的一个主要设备。因此研发设计了用于建筑施工升降平台驱动机构的新型专用减速机——单驱动双输出齿轮减速器。文章论述了新型减速机的双输出传动结构特点、研发设计的依据和分析计算,以及其在工业上实际应用的效果。

关键词：齿轮,减速机,单驱动,双输出

参考文献

[1]JBT 9050.1—1999,圆柱齿轮减速器通用技术条件[S].

汽车齿轮的硝盐淬火 篇6

本文通过试验, 验证汽车齿轮渗碳后用硝盐熔液代替淬火油可行性很高。

试验背景

近年来随着国内汽车行业的飞速发展, 我公司作为汽车变速器及前后桥齿轮的专业生产企业, 齿轮产量不断提高, 公司对金属切削加工设备逐年有所投入, 而热处理方面近五六年一直没有添置新设备。因此, 热处理的产能已成为公司生产的瓶颈。后经相关人员论证, 决定新购置一条热处理连续式生产线。选用何种淬火介质很关键, 如果选用传统的光亮淬火油, 应该完全能保证产品硬度和组织的要求, 但对于变形要求较高的汽车齿轮 (如内花键齿轮、两端壁厚不同的单键齿轮及厚度较薄的弧齿锥齿轮等) , 淬火后齿轮的变形往往出现超差的情况, 为此, 淬火介质准备采用淬火变形相对较小的硝盐熔液。熔盐作为淬火介质应用在淬火连续线上, 在国内的一些大型轴承企业已经广泛使用, 但在国内汽车齿轮生产上还没有先例。因此, 我们选择了一些典型的齿轮送到轴承厂进行熔盐淬火的试验, 产品回厂后进行理化检验, 检验结果如表1所示。从检验结果来看, 只有齿轮的表层非马氏体组织超标, 其他项目均达到产品要求, 这为我们继续实施该项目奠定了基础, 此试验结果说明, 通过工艺调整, 完全有可能达到产品要求。

硝盐淬火的特点

淬火用熔盐使用温度为160～500℃, 硝盐熔化后有很好的流动性、化学稳定性、不老化等特点, 由于不存在着火问题, 所以使用安全性极高。硝盐熔液较淬火油黏度小、冷却均匀, 在马氏体等温淬火时, 在一定温度的熔盐中加入适量的水后, 可以达到淬火油的冷却速度, 零件淬火后得到与淬火油相同的组织和性能。硝盐熔液淬火过程中没有蒸汽膜阶段, 高温区冷却速度很快, 所以对于厚壁工件可以获得优良的淬火组织, 而在低温区等温时冷却速度近乎为零, 所以零件淬火变形很小。并且由于熔盐的温度较淬火油温度高, 所以在熔盐中齿轮淬火变形的趋势较淬火油更小。硝盐淬火比油淬火更经济, 硝盐没有老化、分解等问题, 也不存在介质使用一定时间后废弃问题, 可以反复使用;另外, 工件淬火后从盐槽中带出的残盐经清洗后分离可以达到零排放, 所以, 用硝盐淬火是一种很好的环保工艺。

硝盐淬火连续线

为了满足批量和自动化的要求, 硝盐淬火连续线主要由保护气氛渗碳炉、滚棒式淬火盐槽、双工位风冷台、盐清洗机及回火炉等组成。

保护气氛渗碳炉生产能力为650kg/h, 渗碳区及高温扩散区采用双推盘结构, 共30盘, 低温扩散区7盘, 每盘重量不超过270kg, 炉内气氛由氧探头和碳控仪进行监控。

滚棒式淬火盐槽容积18m3, 可实现批量自动化生产, 冷却方式采用泉涌式 (即盐液通过变频调速搅拌器和导流通道形成泉涌) , 盐液由下向上流过工件, 大大减缓工件入盐液瞬间的冲击造成工件冷却不均而产生的淬火变形。并且在盐槽中安装了淬火液淬火裂度检测装置和盐液自动加水机构, 可根据分析盐液的淬火裂度值定期加水, 从而补充盐液淬火能力不足。盐槽的冷却系统由多用高压风机、列管式风冷换热器组成, 工作原理是将冷风通过在盐槽内管路循环进行冷却。

双工位风冷台的作用是在空气中使齿轮继续完成组织转变, 达到齿轮所要求的淬火马氏体和残余奥氏体组织。

盐清洗机采用的流程是热水浸入清洗、清水喷淋清洗和热风烘干。清洗机带有盐份检测装置, 检测水中盐含量, 当达到设定浓度时, 即将浓盐水抽出到盐水分离器中进行盐水分离操作。盐水分离器采用加热方式将盐水加热蒸发并经冷凝后流回清洗机, 盐则在结晶后被继续使用, 从而实现设备零污染排放的要求。

工件清洗干净后即可正常回火完成齿轮全部热处理工序。

设备安装工艺调试

设备安装后, 经过冷热调整进行工艺调试, 被处理零件为变速器挡位齿轮和汽车后桥从动齿轮。材料为S A E8620, 渗碳技术要求见表2。经过几轮的工艺调试, 最后工艺参数如表3所示。

试验结果与分析

工艺确定后, 我们按批量生产方式进行试验。产品选择仍为变速器挡位齿轮和后桥从动齿轮, 装炉方式采用悬挂式, 每盘装齿轮共82件, 连同挂具总重270k g;淬火熔盐温度选用180℃, 为了提高熔盐的淬火能力, 熔盐中加入一定比例的水。熔盐使用状态确定后, 首先对熔盐进行淬火特性曲线测定, 推盘周期为16min。渗碳工艺编入计算机后, 按PLC控制程序自动完成渗碳全过程, 每盘产品淬火时, 熔盐的温升只有1℃, 此试验共进行12盘, 其中有两盘为后桥从动齿轮进行变形试验, 变速器齿轮每盘随机抽取一只进行金相检测, 后桥从动齿轮进行主从动齿轮配对, 检测接触区的位置、配对噪声情况等, 试验结果如下。

1.淬火介质冷却特性检测

熔盐中加入一定比例的水后, 检测出的冷却特性曲线见图1, 对比光亮分级淬火油的冷却特性曲线 (见图2) 可以看出, 此种含水量的熔盐其最大冷却速度比光亮分级淬火油要快, 从而保证使用该成分的熔盐淬火时, 齿轮能够得到淬火马氏体组织。具体检测项目见表4。

2.齿轮理化检测

将齿轮制成金相试样, 分别进行显微组织、齿轮表面硬度、不同部位的心部硬度和有效硬化层深、表层非马氏体级别等检测, 具体结果见表5。由表5可见, 图样要求的齿轮各项指标盐液淬火后完全达到要求。图3所示为齿轮渗碳淬火后的组织为细微马氏体及残余奥氏体。

3.齿轮变形检测

对后桥从动齿轮进行主从动齿轮配对, 检测接触区的位置、配对噪声情况等。首先对齿轮变形情况进行检测, 经测量, 齿轮内外平面度及圆度完全达到工艺要求。

(1) 噪声进行主从动齿轮配对, 在转速1200r/min时, 产品噪声要求小于76dB, 盐液淬火的齿轮实际噪声指标为64dB, 而我厂采用光亮淬火油生产的齿轮噪声指标最好达到67d B。从而说明, 盐液淬火的齿轮变形较小, 齿形、齿向的一致性较好。

(2) 接触区的位置将主从动齿轮配对时啮合的痕迹用红丹粉记录下来, 见图4。对比图5接触区的位置异常情况可以看出, 盐淬的齿轮接触区的位置在齿面的中心部位, 这样使主从动齿轮接触面积达到最大程度, 使齿轮传递的转矩达到最大。由于各个齿的接触区的位置一致性较好, 使齿轮在转动接触时平稳, 所以啮合时噪声较低。由于采用盐液淬火时, 齿轮入盐前后盐液的温度变化只有1℃, 所以整挂具齿轮淬火时入盐状态基本一致, 导致每个齿轮淬火变形基本一致, 相比较箱式炉齿轮淬火后油温升高达到20～25℃, 所以各个位置的齿轮变形相差相对较大。

结语

汽车齿轮在连续线上采用硝盐熔液进行淬火工艺, 通过以上的齿轮变形、齿轮表面及心部硬度、齿轮淬火后的金相组织等几个方面的试验, 结论是该种淬火工艺完全能够达到产品要求, 从而为汽车齿轮热处理淬火介质开拓了新的领域, 即用硝盐熔液代替淬火油完全能满足齿轮强度和硬度的要求, 并且对有效控制齿轮淬火变形, 起到了显著的作用。

汽车驱动桥齿轮 篇7

齿轮作为汽车传动系统的核心零部件, 其技术的发展对汽车产业发挥这重要作用。汽车作为齿轮下游产业的重要领域, 其高速发展给齿轮产业带来了机遇和挑战。那么反过来, 齿轮产业的技术发展能为汽车工业的发展做出哪些贡献?从齿轮全产业的技术发展现状及趋势中, 我们或许能得到启发。

2014年6月28~29日, 由中国机械通用零部件工业协会齿轮分会 (CGMA) 主办, 北京工业大学、江阴市工具厂和江阴赛特精密工具有限公司协办的2014全国齿轮技术研讨会在江阴市盛大召开, 来自全国齿轮行业的资深专家、科研院所和高校的齿轮研究领域的代表共200余人参加了此次会议。本次会议以“技术创新与研发管理”为主题, 涵盖了“齿轮企业技术管理与研发体系报告”、“齿轮新技术新工艺新装备交流”和“ISO国际齿轮标准新动态介绍”三大选题, 20多个专题报告内容丰富精彩, 全面而深入地分析了齿轮产业的发展新动向, 为业内人士搭建了一个专业、强大的交流平台, 为推动齿轮行业的发展做出贡献, 也受到了与会者的广泛好评。

为期两天的会议分别由CGMA常务副秘书长石照耀教授、CGMA秘书长王长路和CGMA副秘书长邓效忠教授担任主持, 江阴市人民政府副市长张继文、江阴工具厂董事长沈云彪分别为大会致辞。

齿轮行业发展现状及趋势

中国机械通用零部件工业协会常务副会长王长明从宏观上对中国齿轮行业形势与未来发展做了分析报告。王长明指出, 齿轮是装备制造业中不可或缺的重要基础件, 在机械基础件中产业规模第一。“十一五”以来, 齿轮行业得到了快速发展, 全行业销售收入从“十一五”初的680亿元, 到现在的2 080亿元, 且发展势头良好。近两年, 在整个机械零部件行业发展遇到困难、发展速度大幅下降的情况下, 齿轮行业仍然保持着较为稳健的发展速度。2014年一季度齿轮行业的销售收入450亿元, 同比增长8%, 而同期整个通用零部件行业增长幅度为4.5%。尤其是在出口方面, 据海关统计, 2014年一季度, 齿轮出口额为13.6亿美元, 同比增长18%, 成为全行业出口中的突出亮点。其次, 我国齿轮行业在齿轮箱的设计及制造工艺方面也取得了长足的进展。其中, 在重载车辆齿轮方面, 以法士特为代表的大型骨干企业开发成功的变速器、缓速器等产品已达到国际先进水平;在乘用车变速器方面, 以上海汽车变速箱公司为代表的一批企业已开发出了各类自动变速器产品。但是也要看到, 我国齿轮行业与整个机械基础件行业一样, 也存在着大而不强、中低端过剩高端不足的突出问题。一是国家战略性新兴产业所需要配套的高端齿轮产品大都依赖进口。如高速客运列车所用齿轮箱全部依赖进口, 轿车自动变速器主要依靠进口, 2014年一季度轿车自动变速器进口额为18亿美元, 占齿轮产品总进口额的52%。二是我国高端齿轮加工装备和测量仪器大都依赖进口。三是技术人员和技术工人的知识业务水平还有待提高。对此, 从“十二五”以来, 政府在行业协会的积极参与下, 从规划、产业政策、资金支持三方面大力支持基础零部件的转型升级。

中国机械通用零部件工业协会常务副会长王长明做行业报告

CGMA秘书长王长路从机械工业及齿轮下游产业情况、齿轮产业发展现状、齿轮关键设计制造技术、齿轮测量技术与装备和齿轮技术与装备发展趋势5个方面对齿轮产业技术发展现状及趋势做了具体阐述。他指出, 国内制造业未来经济增长呈现平稳态势, 汽车作为齿轮下游产业的重要领域, 汽车产业的高速发展给齿轮产业的发展带来机遇。2013年全国汽车产销2 211.68万辆和2 198.41万辆, 比2012年分别增长14.8%和13.9%, 预计2014年市场需求2 374~2 418万辆, 增长率为8%~10%。此外, 工程机械、风电核电、轨道交通和机器人等齿轮下游产业的不断增长也为齿轮行业的利好发展提供了良好基础。但目前齿轮产业技术发展存在一些不容忽视的问题, 主要包括基础研究和基础数据匮乏, 缺乏技术创新和试验测试服务平台, 齿轮热处理工艺水平不高, 加工检测装备和刀具与发达国家差距明显, 产品生产效率低、质量稳定性差, 这些阻碍了齿轮行业的进一步发展。

王长路最后总结了齿轮技术与装备发展趋势。齿坯近净成形技术、干切及超硬加工技术、微型齿轮制造技术、热处理畸变控制技术和齿轮轮齿精密修形技术是齿轮制造技术的5大发展趋势。齿轮制造装备5大发展趋势有:1) 直驱技术应用速度加快;2) 机床高速化、加工高效化;3) 机床自动化、智能化;4) 机床复合化、生产线化;5) 绿色环保化, 如高速干切机床、低温冷风机床等环保型机床是未来的一个趋势。

贯彻齿轮国际标准加速参与国际竞争

在齿轮精度国际标准方面, CGMA常务副秘书长石照耀教授对ISO 1328-1∶2013齿轮精度国际新标准进行了解读。CGMA名誉会长王声堂对提升齿轮产品可靠性水平提出了宝贵建议。王声堂指出, 贯彻ISO 2013齿轮精度新标准, 将推动我国齿轮产品加速参与国际市场竞争。石照耀教授作为CGMA与全国齿标委的代表参加ISO TC 60的五年工作, 对中国齿轮行业具有重要意义, 不仅标志着中国齿轮已成为国际齿轮标准化组织的核心成员, 而且标志着中国齿轮标准经过几十年的发展, 将与世界齿轮强国同步前行。关于提升齿轮产品可靠性水平, 一是建议借鉴美国《抗疲劳表面完整性指南》的经验;二是总结各类齿轮牵头企业抗疲劳可靠性制造经验, 比如, 双环全称对标、两化融合的质量控制技术, 以及高端配套经验, 法士特齿轮的创新设计、轻量化、24h售后服务以及再制造、制造链质量控制等;三是建议起草《中国齿轮抗疲劳可靠性指南》, 集中行业骨干牵头企业联合, 从而推动中国齿轮产品可靠性水平。

齿轮新技术、新工艺和新装备

在齿轮新技术、新工艺、新装备方面, 可谓是刮起了一场“齿轮技术风暴”。中国科学院院士王立鼎先生做了“高精度谐波传动刚轮、柔轮磨齿与测量”的特邀报告, 资深齿轮专家欧阳志喜先生和俞仁楠先生分别做了“铲磨用金刚石磨轮修形工艺”、“中、小模数齿轮滚刀的现状分析”的专题报告。来自齿轮行业及机床、刀具、测量的知名厂商代表纷纷介绍了齿轮制造解决方案。其中, 克林贝格介绍了汽车行业的弧齿锥齿轮干切加工技术及其自动化生产, 由于干式切削具有切削时间短、刀具寿命长、齿轮加工质量高 (3~4级) 和生产成本低的优势, 齿轮干切技术被广泛关注。以应用于卡车领域的克林贝格奥利康C 50立式切齿机为例, 俱佳的切屑流动是它不同于其他产品的巨大优势, 再加上立式设计、直接驱动技术、一体化倒角工艺及集成自动上下料系统的应用等, 满足了客户的高性能加工需求。安默琳节能环保技术有限公司介绍的齿轮绿色切削技术解决了齿轮车间制造现场工作环境恶劣、用油浪费等一系列难题。以重庆秋田齿轮有限公司的汽车齿轮加工为例, 通过试验跟踪, 采用复合喷雾滚齿方案后, 齿轮加工用油量显著下降, 工作环境明显改善, 刀具寿命得到提高, 产品加工质量得到提升。海克斯康介绍了现代测量技术在齿轮行业中的应用, 宽广的计量产品线为齿轮用户, 尤其是汽车行业用户提供了各种量身定做的测量解决方案。

格特拉克 (江西) 传动有限公司常务副总裁裴质明

此外, 会议还邀请了格特拉克 (江西) 传动有限公司的常务副总裁裴质明做了在华外资齿轮企业技术管理与研发体系方面的交流, 裴总向大家分享了格特拉克的变速器产品开发系统及流程, 以及最新的齿轮制造技术。格特拉克核心工程11大功能块的建设是产品开发的重要保证, 公司系统的产品开发机构和严格的质量管理体系对国内齿轮企业, 特别是自主品牌的产品研发体系的建立与完善具有重要的借鉴作用。

结语