5种汽车变速箱齿轮材料在制造过程中的优劣性分析

李昆，陈宇

（一汽-大众汽车有限公司 传动器车间，长春130011）

1 汽车齿轮常用材料介绍

汽车变速箱齿轮材料不仅要有良好的强度、韧性、耐磨性，而且还要求变形小、加工精度高。在齿轮的热处理加工工艺中，除了一般的淬火、回火外，还采用渗碳淬火、氮化处理、高频淬火等多种表面硬化工艺。对齿轮材料技术要求有：1）足够的芯部淬透性、表面硬度和深层，并确保齿轮渗碳淬火时渗碳层和芯部不出现过冷奥氏体分解物；2）齿轮渗碳淬火后尺寸变形小且均匀，便于后续的精加工[1]。汽车齿轮常用的国产材料有20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4 等[2]，本文对比了以上4 种国产材料及德国进口材料（型号TL4521）在相同制造工艺下（机械加工工艺及热处理工艺完全相同）所表现出来的材料优劣性。

2 汽车齿轮制造过程的评价参数介绍

齿轮的设计参数有齿数、模数、压力角、齿顶高系数和螺旋角等；齿轮制造过程中的评价参数有跨棒距MDK、径跳FR和齿轮精密测量报告等，表1 所示为汽车变速箱齿轮零件在制造过程的评价参数。

表1 汽车变速箱齿轮零件在制造过程的评价参数

齿轮的精密测量报告主要评价齿轮齿面修形误差（实际形状与设计的非理论渐开线齿形之间的偏差）及分度误差（周节误差）[3]，齿面修形误差包括齿形角偏差、齿形形状误差、齿形鼓形量、齿向角偏差、齿向形状误差和齿向鼓形量等，分度误差包括单个周节误差、周节累计误差等，这些参数决定了齿轮的加工精度等级，影响了变速箱的振动和噪声。

3 实验设计

3.1 评价指标选择

为了对比上述的5 种材料在汽车变速箱齿轮加工制造过程中所体现的性能好坏，本文选取了表2 所示的关键指标作为评价指标，表中的尺寸全部为齿轮零件生产制造过程中的核心尺寸。评价尺寸的选择并不是越多越好，最好用少而精的尺寸来准确反映零件的整体性能。

表2 材料评价指标

3.2 评分原则的确定

为了系统地评价上述5 种材料在齿轮加工制造过程中所体现的性能好坏，对尺寸变形的大小（波动及变形量）采用量化的评价指标，同时为了考核不同批次毛坯材料及不同轮次实验的影响，增加了一项“材料性能一致性”评价指标，用多轮实验中每项尺寸指标平均变形量的最大值减去最小值，再除以该尺寸的公差来进行评价，评价原则如表3 所示。

表3 尺寸变形评价规则

3.3 实验方案整体设计

实验采用ECM 真空热处理炉，使用8 种齿轮类零件（4 种小齿轮，1 种大齿圈，2 种轴，1 种同步器）。按照精加工形式，又可以划分为3 种磨齿类零件、4 种剃齿类零件。由于剃齿类零件最终成品尺寸由热处理变形保证，因此对剃齿类零件进行5 轮实验，对磨齿类零件进行3 轮的实验，以保证实验结果的准确性。每轮实验中，5 种材料的实验件分别加工9 件，并排放在热处理料盘的8 个角落及中心（即热处理九点实验）。零件在热处理投炉前按照表2 中的尺寸进行测量，并在零件上标注测量点，热处理完成后按照相同的测量点再次进行测量，从而获得准确的尺寸变形量。齿轮零件使用的真空热处理主要参数如表4 所示。

表4 齿轮零件的真空炉主要参数

4 数据分析

4.1 热处理指标分析

由5 种齿轮零件的实验结果可以看出来：1）材料TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9=37 ～40)、20CrMnTi(J9=35～38)在芯部硬度、表面硬度和层深等3方面全部合格；2）材 料20CrMo 及20CrMnTi(J9=32～35)由于淬透性不足，导致在相同的工艺条件下，芯部硬度不足够，其中20CrMo 材料对应的一挡换挡齿轮零件的各项热处理指标如图1 所示；3）材料25CrMnS4 只在轴零件上进行了实验，结论是热处理指标全部合格。

4.2 尺寸变形分析

如表6 所示，由5 种齿轮零件的实验结果可以看出：1）5 种零件的累计总分，TL4521 最高，其次是20CrMo 和20CrMnTi (J9=35 ～38)；2）单 项 最 低 分 方 面，20MnCr5、20CrMnTi(J9=37～40)及20CrMnTi(J9=32～35)都出现0 分项，即变形量超出了公差范围；3）材料25CrMnS4 只在轴零件上进行了实验，总分由高到低的顺序为TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi。

表5 热处理指标分析

图1 20CrMo 材料对应的一挡换挡齿轮零件各项热处理指标

在尺寸变形评价过程中，已经对异常数据点进行分析和剔除，以避免由于数据异常造成的分析结果差异，但由于采样评价的数据点有限，不能保证完全体现材料的真实性能。

4.3 生产平顺性

在实验的过程中，4 种国产材料（20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4）在车削工序出现了不同程度的缠屑，如图2(a)所示。20CrMnTi 材料对应的一挡换挡齿轮在插齿工序出现了材料黏刀现象，导致加工完成的零件端面有压伤，属于外观缺陷，如图2(b)所示。提高国产毛坯材料的硬度，可减少车削工序缠屑和插齿工序材料黏刀现象，比如20CrMnTi 材料的硬度由原来的167～192 HB提升到180～200 HB。再结合车床、插齿机设备参数优化，可完全消除这些加工缺陷，满足生产平顺性要求。

表6 尺寸变形分析

图2 生产平顺性问题照片

5 结 论

本文对比了5 种不同的金属材料（TL4521、20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5、25CrMnS4），从热处理指标、尺寸变形和生产平顺性等3 个方面出发，通过选择合适的评价指标，在相同的制造工艺前提下（机械加工工艺及热处理工艺完全相同）开展实验，分析了5 种汽车变速箱齿轮材料在生产制造过程中体现出的优劣性。

在热处理指标方面，TL4521、20MnCr5、20CrMnTi(J9=37～40)、20CrMnTi(J9=35～38)能保证实验数据全部在合格范围内；在尺寸变形方面，采用量化的评价方式，齿轮和同步器零件尺寸变形由大到小的顺序为TL4521、20CrMo、20CrMnTi、20MnCr5，轴零件尺寸变形由大到小的顺序为TL4521、25CrMnS4、20CrMo、20MnCr5、20CrMnTi；在生产平顺性方面，4 种国产材料在车削工序出现了不同程度的缠屑，材料20CrMnTi 在插齿工序出现材料黏刀现象，通过调整毛坯硬度及优化设备加工参数，缺陷可以完全消除。

本文提供的实验分析结果，不同于实验室里的材料组织成分分析及齿轮疲劳寿命评价，是从生产制造角度对常用汽车齿轮材料的优劣性进行评价，给变速箱齿轮材料选型提供另一种参考维度。汽车变速箱齿轮材料的具体选型需要综合考虑成本、质量、寿命等，依据变速箱台架实验及整车路试实验结果进行最终确定。