车辆工程技术
24车辆技术
汽车探索在汽车系统中，齿轮是动力系统的重要构成部分，承担着改变速度、传递扭矩等任务，通常满载荷运行，这就要求汽车齿轮具备良好的强度与应用寿命。随着新能源汽车、现代汽车与其他机械工业的发展，其动力机构要求齿轮具有更高强度、更高效率、更高寿命，这些要求不仅需要优化齿轮设计，还需要开发齿轮新材料，研发新型的齿轮加工技术与强化技术。而表面强化技术则是增强齿轮强度、延长齿轮应用寿命的关键，从抗齿轮弯曲疲劳、抗齿面接触疲劳两个表面强化技术入手，探索齿轮强化技术的发展与研究。
1　汽车齿轮材料技术与研究现状分析
齿轮是汽车传动机构的重要部分，承担着改变速度、传递扭矩的重要作用，其经常处在连续高载荷的运行状态，齿轮不仅会进行滚动，还需要滑动，同时还承受着脉冲作用力，这些里力的综合作用会导致齿轮破损，影响齿轮的正常运行。为保障汽车传动效率，要求汽车齿轮必须具备良好的强度与应用寿命。综合分析来看，齿轮破坏的形式主要表现为四类，第一为磨损，第二是齿面胶合，第三是齿轮折断，第四则是点蚀。分析发现，这些破坏多集中发生在齿轮的表面与齿根位置。为此，采取一定的齿轮表面强化技术，有助于降低齿轮破坏，保证齿轮表面完整性。通过采取齿轮表面强化技术，可以改变齿轮形态
特征、组织结构、硬度、表面粗糙度，增强齿轮的弯曲疲劳抗力、接触疲劳抗力，提升齿轮强度，保证齿轮应用的综合效益。随着汽车种类增加，应用用途的多样性要求越来越多，对齿轮的强度、使用寿命提出了更高的要求。为此，需要做好齿轮表面强化技术的探究工作，同时做好齿轮材料研究，保证齿轮的应用质量。
2　汽车齿轮表面强化技术分析
汽车齿轮表面强化技术主要包含两个部分，即抗齿轮弯曲疲劳表面强化技术与抗齿面接触疲劳表面强化技术，通过这些技术的研究与使用，可以有效改进齿轮性能，增强齿轮整体指标，有助于实现齿轮高质量、长期安全运行。
2.1　抗齿轮弯曲疲劳表面强化技术
抗齿轮弯曲疲劳表面强化主要是通过齿轮喷丸强化的方式来实现，喷丸强化指的是应用一定的机械手段，对齿轮表面进行压缩、变形处理，从而在齿轮表面生成形变改性层，达到增强齿轮表面强度的目的。采取喷丸处理工艺，可以让齿面表层发生一定程度的塑性变形，促使齿面表层中原本存在的残余奥氏体发生改变，继而得到马氏体，针对这部分马氏体作方向性引导，确保其沿滑移线平行排列。通过这种方法，可以增加齿面表层原始马氏体位错密度，从而细化内部结构。实践表明，喷丸强化技术的应用可以显著提升齿面残余压应力，同时增强齿轮表面硬度，这也提高了齿轮抗弯疲劳强度的极限，
对于延长齿轮使用寿命有着突出作用。
喷丸强化实现齿轮表面强化的根本在于改变齿面表面完整性，应用喷丸强化工艺带来齿轮表面改变，其改变具体体现为表面硬度、表面粗糙度、残余应压力场与组织结构。从强化的层面来分析，引入残余压应力场、细化内部组织结构，增强表面强度，可以有效增加齿轮强度参数与疲劳极限，但同时，喷丸强化在应用时会带来一个明显的问题，即增加了齿轮表面的粗糙度，齿轮表面粗糙度增加，材料疲劳性能会有所下降，尤其是会带来较为明显的齿轮噪音，增加汽车振动与噪声。为此，使用喷丸强化齿轮时，需要科学控制喷丸强度，合理选择丸粒直径，选择科学的喷丸方法，以改善喷丸效果。
2.1.1　喷丸强化主要类型
以丸粒大小为依据，可以将喷丸强化工艺划分为强力喷丸与微粒喷丸两种，随着喷丸强化应用，逐渐形成了复合喷丸技术。强力喷丸工艺可以在室温条件下进行，通过高速喷射装置，面向受喷齿轮表面喷射细小钢丸，从而让齿轮表面材料出现弹塑性变形，带来较为充分的残余压应力，增加齿轮表面的强度与疲劳极限。虽然强力喷丸在增强齿轮弯曲疲劳强度上具备较好优势，但该工艺也带来了齿轮表面粗糙度较高的负面问题，为此，可以应用微粒喷丸，微粒喷丸不仅可以增强齿面表层残余压缩应力，同时还避免了表面粗糙度增加所带来的传动问题。但在齿轮表面强化的实践操作中，多采取的是复合喷丸技术，即首先应用高硬度较大丸粒，在高压、高速条件下完成喷丸作业，之后应用直径较小
的丸粒作微粒喷丸，通过复合喷丸处理，可以在齿轮表面生成较好的残余压缩应力，不仅可以提升齿轮表面的强度，增加齿面附近残余压缩应力，有助于抑制齿轮裂纹出现与发展，还改善了齿轮表面粗糙度，综合效果突出。
2.1.2　其他喷丸技术
强力喷丸技术是一种改变表层材料组织结构、导入残余压缩应力、增强疲劳寿命的重要技术，在改善齿轮性能与指标上发挥着重要作用。但除了以上喷丸方式外，一些新型的喷丸技术也逐渐得到了发展与应用，如以下几种：其一，超声波喷丸。这种方式需要上丸粒以超声频方式从不同撞击工件表面，从而给工件内部带来较大能量，在材料表面纳米化、氮化降温方面发挥着重要作用。其二，空化水喷丸。即应用高速微射流与微笑空化气泡时的冲击波压力撞击齿轮表面，从而在齿轮表面内生成残余压缩盈利层，继而达到强化目标。其三，激光空穴喷丸，这种技术主要是对微小的空间作喷丸处理，操作精度较高，残余压缩应力相对较大。
2.2　抗齿面接触疲劳表面强化技术
高强度汽车齿轮表面强化技术的发展研究
武　震
（阜新高等专科学校，辽宁 阜新 123000）
摘　要：在高强度汽车传动系统中，齿轮是极为重要的构成部分，其强度、使用寿命直接关系着汽车传动性能与安全。分析发现，齿轮表面强度不足是引起齿轮磨损、破坏与传动失效的重要原因，为此，需要加强汽车齿轮强化相关技术的研究，切实增强齿轮强度，延长齿轮使用寿命，如推动新材料的研发，革新新型加工技术，应用表面强化技术等。在这里，重点探索高强度汽车齿轮表面强化技术，阐述了油品对齿轮疲劳强度的影响，对未来齿轮表面强化技术的发展作了展望。
关键词：高强度汽车；齿轮；表面强化技术
车辆工程技术25车辆技术
随着喷丸强化技术的发展与应用，齿轮弯曲疲劳强度与寿命得到了显著提升，但齿轮接触疲劳强度尚有待进一步提升。齿轮在使用过程中，齿面在啮合作用力、高接触应力、滑动拉应力等各种力反复作用下容易产生齿面疲劳损伤，为了降低齿面疲劳损伤，提升齿面表面完整性，需要应用改性涂层技术。
2.2.1　磷酸锰转化涂层
磷酸锰转化涂层工艺最初应用在轴承滚子疲劳寿命改良方面，并逐渐发展到其他传动部件中。在齿轮
表面应用磷酸锰转化涂层技术，可以明显降低摩擦副表面的摩擦系数值，让齿轮具备更好的抗咬合性能。通过磷酸锰转化涂层处理，可以在齿轮表面形成一种软质层，软质层的厚度只有数微米，但却可以填补齿轮表面中存在的大部分切削波纹，可以降低金属表面的摩擦因数，同时降低齿面最大啮合接触应力参数，较大幅度提升齿轮啮合状态下的润滑性能。在磷酸锰转化涂层工艺应用中，通过参数优化与控制，可以改变涂层晶粒尺寸与密度参数，可以生成超微细涂层，增强齿轮的减摩耐磨特征。
2.2.2　二硫化钼镀膜技术
二硫化钼作为一种固体润滑材料，其本身具备承载能力高、减摩抗磨性能好等优势，以二硫化钼为原材料进行镀膜操作，形成的二硫化钼膜结构为层状，膜层粒子的稳定性较高，硬度较低，有助于增强齿轮表面承载能力与疲劳寿命极限。
2.3　复合强化技术
随着齿轮表面强化技术的发展，复合强化技术得到了广泛应用。复合强化技术即将两种或多种表面强化技术综合在一起，取其优势，规避其问题，以实现齿轮表面强度、应用寿命提升的综合目标。如可以将喷丸技术、喷涂技术结合在一起，也可以采取盐浴复合技术。盐浴复合是一类氮碳共渗加盐浴氧化相结合的一种技术，能够有效提升齿轮的抗蚀性与耐磨性，增强齿轮表面应用强度。
3　油品对齿轮强度、寿命的影响
在汽车传动机构作业时，需要添加润滑油，这也是保证齿轮、轴承长效运转的关键。此外，汽车控制动作的平稳性也需要润滑油。为保障汽车传动系统质量，降低故障率，保证齿轮完好，对润滑油有着严格要求，尤其需要重视润滑油的动静摩擦因数、氧化耐久性。随着汽车产业发展，控制系统的滑动性、精确性要求越来越高，齿轮系统中的油品润滑应用也面临着较大挑战，这些油品润滑会影响齿轮系统的应用效率，为此，需要强化对油品品质的研究与提升，避免因油品润滑不当引起齿轮磨损严重、疲劳寿命锐减。影响汽车齿轮润滑油品性能的因素较多，如清洁度、水分污染、油位、温度与自身因素等，在应用润滑油时，必须确保润滑油性能优良，为齿轮可靠运行提供一定保障，避免因油品不佳带来齿轮损伤。
4　汽车齿轮表面强化技术的发展趋势分析
高强度汽车在运行过程中，其齿轮传动系统作业的工况是复杂多变的，非线性因素较多，动力学分析十分困难，齿轮制造、加工、磨损、润滑、误差与环境影响等各种因素综合在一起，让齿轮系统的激励参数变得十分不确定，多个不确定性因素同时存在，让齿轮系统研究具备高维性，研究齿轮的强化机理、齿轮失效机理也变得更为困难。基于此，在开展汽车齿轮动力学分析时，应该考虑应用灵敏度分析法与不确定性优化设计法。复杂工况与多变因素众多，让汽车齿轮表面强化技术需要解决更多新型的问题，如高强度汽车要求变速器保持高转速水平，同时具备高扭矩输出动力，这就对汽车齿轮的强度与寿命提出了更高要求，此时采取单一的齿轮强化技术效果不明显，且难以实现汽车传动系统的
综合要求，为此，一些齿轮复合强化技术逐渐得到了应用。
汽车齿轮表面强化技术的研究与发展需要贴合汽车的发展要求，满足低噪声、高精度、高强度、高疲劳寿命的综合要求，这些要求的提出，并非是独立性的，而是综合一体的，这就要求齿轮表面强化技术不能采取单一的强化技术，也不能简单叠加多种表面强化技术，需要科学使用复合表面强化技术，构建复合强化的多目标优化模型，引入多目标优化设计思维，充分研究齿轮表面转化涂层、喷丸强化技术、热处理等工艺之间的配合性，分析其强化机理，研究其与齿轮表面完整性的关系，采取科学的复合工艺流程与技术来实现强化目标。在齿轮喷丸强化方面，其下一步研究的方向主要集中在现代力学与材料力学方面，重点研究喷丸参数与齿轮表面完整性两者之间的内在关系，如探究喷丸工艺对应的齿轮表面的残余应力场、粗糙度与力学参数等。表面转化涂层方面的研究应重点分析涂层表面完整性对齿轮接触疲劳寿命的影响关系，结合齿轮工况，润滑条件、瞬态温度场等条件，分析表面转化涂层的性能，通过改变涂层内部晶粒分布情况、尺寸参数等，研究更具韧性、强度的涂层。
5　结语
在高强度汽车传动系统中，齿轮是极为重要的一个部分，其表面强度直接关系着汽车传动性能与效率。做好齿轮表面强化技术，有助于增加齿轮强度、应用寿命，降低齿轮磨损度，减少或避免传动失效问题发生。当下，汽车齿轮表面强化技术主要体现在抗齿轮弯曲疲劳表面强化技术与抗齿面接触疲
劳表面强化技术两个方面，前者主要是通过喷丸强化的方式来提升齿轮弯曲疲劳极限，后者通过表面转化涂层的方式来增强齿面接触疲劳极限，在合理应用齿轮表面强化技术的基础上，还应重视油品质量，确保润滑效果，为适应未来发展，还应加强技术创新，更好满足高强度汽车齿轮表面强化的要求。
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