齒輪是機械工業中應用最廣泛的重要零件之一,主要用于傳遞動力,改變運動速度和運動方向。齒輪的選材要從齒輪的工作條件、失效形式及其對材料的性能要求等方面綜合考慮。
汽車齒輪主要安裝在變速器和差速器中。在變速器中,通過齒輪改變發動機、曲軸和主軸齒輪的速比;在差速器中,通過齒輪增加轉矩,調節左右輪的轉速。發動機的動力均通過齒輪傳給主軸,推動汽車運行。所以,汽車齒輪受力較大,受沖擊頻繁,對其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等的要求比一般機床齒輪高。齒輪工作時的受力情況為:由于傳遞轉矩,齒根承受很大的交變彎曲應力;換檔、起動或咬合不均勻時,輪齒承受一定沖擊載荷;因加工、安裝不當或齒、軸變形等引起的齒面接觸不良,以及外來灰塵、金屬屑等硬質微粒的侵入都會成為附加載荷而使工作條件惡化。因此齒輪的工作條件和受力情況是較復雜的。
根據齒輪的工作條件,其主要失效形式是疲勞斷裂、齒面接觸疲勞破壞、齒面磨損以及過載斷裂。汽車齒輪的主要失效形式及失效表現見表。
表 汽車齒輪的主要失效形式及失效表現
根據工作條件及失效形式的分析,可以對齒輪材料提出如下性能要求。 ① 較高的彎曲疲勞強度,特別是齒根處要有足夠的強度。 ② 較高的齒面硬度和耐磨性。 ③ 較高的心部強度和足夠的沖擊韌性。 ④ 熱處理變形小。 在我國應用最多的汽車齒輪用材是合金滲碳鋼20Cr和20CrMnTi,經滲碳、淬火和低溫回火等熱處理強化后使用。滲碳后表面碳含量大大提高,以保證淬火后得到高硬度、高耐磨性和高接觸疲勞強度。由于合金元素提高了淬透性,淬火、低溫回火后可使心部獲得較高的強度和足夠的沖擊韌性。為了進一步提高齒輪的使用壽命,滲碳、淬火、低溫回火后,還可以采用噴丸處理,增大表面壓應力,有利于提高齒面和齒根的疲勞強度,并清除氧化皮。 合金滲碳鋼齒輪的生產工藝路線一般為:下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨削加工。 軸是汽車上的最重要零件之一,主要用于支撐傳動零件(如齒輪、凸輪等)傳遞運動和動力。根據軸類零件的工作條件和失效形式,對其材料有以下性能要求。 ①良好的綜合力學性能,足夠的強度、硬度、塑性和一定的韌性,以防止過載斷裂和沖擊斷裂。 ②足夠的淬透性,熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨損失效。 ③較高的疲勞強度,對應力集中敏感性低,以防疲勞斷裂。 ④良好的可加工性,價格便宜。 軸類零件的選材既要考慮材料的強度,也要考慮沖擊韌性和表面耐磨性。因此軸一般用鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造。 由于碳鋼比合金鋼便宜,并且有一定的綜合力學性能,對應力集中敏感'性小,所以一般軸類零件使用碳鋼較多。常用的優質碳素結構鋼有35鋼、40鋼、45鋼、50鋼等,其中45鋼最常用。為改善其性能,這類鋼一般要經過正火、調質或表面淬火熱處理。 合金鋼比碳鋼具有更好的力學性能和熱處理工藝性,但對應力集中敏感性較高,價格也較高,所以,當載荷較大并要求限制軸的外形、尺寸和重量,或軸頸的耐磨性要求高時,可采用合金鋼。常用的合金鋼有20Cr、40Cr、40CrNi、2OCrMnTi、40MnB須采用相應的熱處理才能充分發揮其作用。 除了上述碳鋼和合金鋼外,還可以采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作為軸的材料,特別是曲軸的材料。 曲軸是汽車發動機中形狀復雜的重要零件之一,如下圖所示。汽車發動機曲軸的作用是輸出動力,并帶動其他部件運動。曲軸在工作中受到彎曲、扭轉、剪切、拉壓、沖擊及交變應力的作用。曲軸的形狀極不規則,其上的應力分布極不均勻,曲軸頸與軸承還發生滑動摩擦。曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損兩種。根據曲軸的工作條件和失效形式,要求曲軸應其備以下性能。 ① 較高的強度和一定的沖擊韌性 ② 足夠的抗彎、抗扭轉和疲勞強度 ③ 足夠的剛度 ④ 軸頸表面有較高的硬度和耐磨性 實際生產中,按照制造工藝,將汽車發動機曲軸分為鍛造曲軸和鑄造曲軸。鍛造曲軸一般采用優質中碳鋼和中碳合金鋼制造,如30、35、35Mn2、40Cr、35CrMo等,經模鍛、調質、切削加工后對軸頸部進行表面津火。鑄造曲軸主要由鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等制造,如ZG230-450、QT600-3、KTZ450-5,KTZ500-4等。鑄造曲軸經鑄造、高溫正火、高溫回火、切削加工后,對軸頸部要進行氣體滲碳、淬火、回火處理。 不同的彈簧用途不同:如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧,主要起緩沖或減振作用;汽車發動機中的氣門彈簧,在外力去除后能自動恢復到原來位置,起到復位作用;鐘表、玩具中的發條起儲存和釋放能量的作用。 對彈簧材料的主要性能要求是:高的彈性極限和高的屈強比,高的疲勞強度以及一定的塑性和韌性。一些特殊彈簧還要求有良好的耐熱性和耐蝕性。 中碳鋼和高碳鋼都可制作彈簧,但因其淬透性和強度較低,只能用來制造截面較小、受力較小的彈簧。合金彈簧鋼則可制造截面較大、屈服極限較高的重要彈簧。 汽車板簧用于緩沖和吸振,承受很大的交變應力和沖擊載荷。其主要失效形式為剛度不足引起的過度變形或疲勞斷裂。因此對汽車板簧材料的要求是要有較高的屈服強度和疲勞強度。 汽車板簧一般選用彈性高的合金彈簧鋼制造,如65Mn、60Si2Mn鋼等。對于中型或重型汽車,板簧還采用50CrMn,55SiMnVB鋼;對于中型載貨汽車用的大截面積板簧,則采用55SiMnV、55SiMnVNb鋼制造。 板簧一般采用的加工工藝路線為:熱軋鋼板沖裁下料→壓力成形→淬火、中溫回火→噴丸處理。噴丸強化處理也是對板簧進行表面強化的重要手段,目的是為了提高板簧的疲勞強度。 氣門彈簧是一種壓縮螺旋彈簧,其用途是在凸輪、搖臂或挺桿的聯合作用下,使氣門打開和關閉。氣門彈簧受力不是很大,可采用悴透性比較好、晶粒細小、有一定耐熱性的50CrVA鋼制造。其加工工藝路線為:冷卷成形→淬火、中溫回火→噴丸處理→兩端磨平。 一般箱體類零件結構復雜,具有不規則的外形和內腔,且壁厚不均勻。這類零件包括各種機械設備的橫梁、支架、底座、齒輪箱、軸承座、閥體、泵體等,在汽車上的應用主要有氣缸體、氣缸蓋、變速器殼體、驅動橋殼等,質量相差很大,從幾千克到數十噸。工作條件相差也很大,其中有的基礎件以承受壓力為主,如內燃機氣缸體、氣缸蓋,并要求有較好的剛度和減摩性;有的要承受彎曲、扭轉、拉壓和沖擊載荷,如汽車的驅動橋。總的說來,箱體類零件受力不大,但要求有良好的剛度和密封性。 根據箱體類零件的結構特點和使用要求,通常以鑄件作為毛坯,且以鑄造性能良好、價格低廉,并具有良好耐壓、耐磨、減摩性的灰鑄鐵為主。對于質量要求不嚴格的一般內燃機的氣缸蓋、氣缸體可采用灰鑄鐵;對于受力復雜或受沖擊載荷的零件則采用鑄鋼、可鍛鑄鐵或球墨鑄鐵制造,如汽車的驅動橋殼。風冷發動機、小轎車發動機的氣缸體、氣缸蓋可選用質輕、導熱良好的鋁合金制造。 對鑄鐵件應進行去應力退火或時效處理,鑄鋼件常采用完全退火或正火處理。 發動機的工作循環是在氣缸內完成的。氣缸內與活塞接觸的內壁面,由于直接承受燃氣的沖刷,并與活塞存在一定壓力的高速相對運動,使氣缸內壁受到強烈的摩擦。氣缸內壁的過量磨損是造成發動機大修的主要原因之一。因此,氣缸體一般采用普通鑄鐵或鋁合金制造,而氣缸工作面則用耐磨材料制成缸套鑲入氣缸內。 常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵,主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。為了提高缸套的耐磨性,可以用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬鉬或其他耐磨合金等辦法對缸套進行表面處理。 活塞、活塞銷和活塞環等零件組成活塞組,與缸體、缸蓋配合形成一個容積變化的密閉空間,以完成內燃機的工作過程,在工作中承受燃氣的作用力并通過連桿將力傳給曲軸輸出。活塞組工作條件十分苛刻,在高溫、高壓燃氣條件下工作,工作溫度最高可達1000℃以上,并在氣缸內作高速往復運動,產生很大的慣性載荷。活塞在傳力給連桿時,還承受著交變的側壓力。對活塞材料的性能要求是熱強度高,導熱性好,吸熱性差,膨脹系數小,減摩性、耐磨性、耐蝕性和工藝性好。 常用的活塞材料是鋁硅合金。鋁合金的特點是導熱性好、密度小;硅的作用是使膨脹系數減小,耐磨性、耐蝕性、硬度、剛度和強度提高。鋁硅合金活塞需進行固溶處理及人工時效處理,以提高表面硬度。 連桿是汽車發動機中的重要零件。其作用是連接活塞和曲軸,并將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動,把作用在活塞上的力傳遞給曲軸以輸出功率。 連桿工作時受到復雜的拉、壓應力的作用,還要承受氣體做功時的沖擊載荷。其主要失效形式是疲勞斷裂和過量變形。因此要求連桿材料必須具有良好的綜合力學性能及高的疲勞強度。 通常連桿材料選用綜合力學性能好的中碳鋼和中碳合金鋼,如45、40Cr、40MnB等。合金鋼雖具有很高的強度,但對應力集中很敏感。所以,在連桿外形、過渡圓角等方面需嚴格要求,還應注意表面加工質量,以提高疲勞強度,否則高強度合金鋼的應用并不能達到預期效果。 對氣門的要求是保證燃燒室的氣密性。氣門材料應選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進、排氣門工作條件不同,材料的選擇也不同。進氣門一般可用40Cr、35CrSi、38CrSi、35CrMo、42Mn2V等合金鋼制造;而排氣門則要求用高鉻耐熱鋼制造。采用4Cr10Si2Mo作為氣門材料,可承受的工作溫度為550~650℃;采用4Cr14Ni14W2Mo作為氣門材料,可承受的工作溫度為650~900℃。 在汽車零件中,沖壓零件種類繁多,約占總零件數的50%~60%。汽車沖壓零件采用的材料有鋼板和鋼帶,鋼板包括熱軋鋼板和冷軋鋼板。 熱軋鋼板主要用來制造一些承受一定載荷的結構件,如保險杠、制動盤、縱梁等。這些零件不僅要求鋼板具有一定的剛度、強度,而且還要求具有良好的沖壓成形性能。冷軋鋼板主要用來制造形狀復雜、受力較小的機械外殼、駕駛室車身等覆蓋零件。這些零件對鋼板的強度要求不高,但卻要求具有優良的表面質量和良好的沖壓性能,以保證較高的成品合格率。 近年開發的加工性能良好、屈服強度和抗拉強度高的薄鋼板(高強度鋼板),由于其可降低汽車自重,提高燃油經濟性,在汽車上獲得了廣泛應用。高強度鋼板已用于制造橫梁、邊梁、保險杠、車頂、車門、前包圍、后包圍、行李箱、發動機罩等。 附 鋼鐵材料在汽車發動機零件上的應用 附 鋼鐵材料在汽車底盤及車身零件上的應用 參考資料《汽車材料與金屬加工》
