电动汽车 -新能源汽车高精度齿轮加工技术.pdf

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宋建科等

近几年,新能源汽车得到快速的发展和应用,但是其高速和长途续

航里程依然不能满足出行的需求,而提升新能源汽车传动系统效率

是减少运行能耗和延长续航里程的有效途径之一。

新能源汽车相对于燃油汽车对整车的噪声、振动和舒适性要求更加

严格,对传动系统的NVH问题更加敏感。采用高精度齿轮的多挡位

自动变速器对提高新能源汽车动力性、延长新能源汽车续驶里程、

优化新能源汽车电驱动系统总成性能、降低新能源汽车整车质量和

成本、改善新能源汽车驾乘感受等都具有重要作用。

因此,新能源汽车对传动齿轮的精度和加工质量具有更高的要求。

如图1所示,高精度渐开线圆柱齿轮是新能源汽车传动系统关键零

件,其加工技术复杂,对加工设备、加工精度和工件表面质量要求

高,此类齿轮的制造工艺尚不成熟、效率低、成本高,甚至需要大

量进口。

因此,有必要针对新能源汽车高精度传动齿轮加工工艺进行分析,

为高效加工工艺研究提供基础。

1汽车齿轮典型加工工艺分析

目前,汽车齿轮机械加工过程中,通常采用的加工工艺为:

车削锻造毛坯→切齿(滚齿/插齿)→剃齿→渗碳淬火→磨齿,滚

齿和磨齿工艺过程如图2所示。

齿轮毛坯为模锻而成;采用数控车床在一次装夹的条件下完成毛

坯的外圆表面、内孔表面和端面的车削,保证齿坯具有较好的精

度,为后序的高质量加工提供基础;采用滚齿的方法进行齿形的

粗加工(滚齿机的加工精度为IT10~IT7级);剃齿一般应用于未进

行淬火热处理齿轮齿形的精加工(精度可达IT7~IT6级),但是剃齿

不能修正分齿误差,剃齿后的精度只能比剃齿前提高一级;汽车

齿轮的工作任务比机床齿轮要繁重得多,因此在耐磨性、疲劳强

度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比机床齿轮要高,选用

渗碳钢制造并经渗碳热处理才能满足其性能要求;最后以磨削加

工的方法对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行

精加工,进而提高尺寸精度和减小形位公差,磨削加工可达的经

济精度为IT6~IT4级,表面粗糙度为Ra0.2~0.8μm。

珩磨作为一种特殊的磨削加工技术,是精加工中的一种高效加工

方式,可以安排为最后加工工序,划分为光整加工阶段,具有加

工精度高、表面质量好、加工效率高等特点,可将表面粗糙度降

低到Ra0.20~0.05μm。

但是,汽车齿轮典型的加工工艺已经无法满足绿色节能的新能源

汽车对传动齿轮加工过程提出的高精度、高质量和高效率的要求,

因此,必须进行新的高效高质量加工工艺研究。

2高精度齿轮加工技术及措施

1)硬齿面加工技术

硬齿面加工技术主要应用于热处理后齿面硬度高于45HRC的齿

轮精加工,目的是提高齿轮精加工的效率、质量和降低加工成本,

主要加工方法是针对硬齿面的剃齿、精滚(刮研)、磨齿和珩齿等,

相对于传统加工工艺,硬齿面加工方法对机床、刀具材料和涂层、

工具技术等提出更高的要求。

随着刀具材料、刀具设计和制造技术的提升,硬齿面刀具得到快

速发展,促进了硬齿面加工技术在高精度齿轮加工中的应用。滚

齿和剃齿过程主要应用具有涂层的高速钢与硬质合金刀具;珩齿

和磨齿可以使用CBN或金刚石超硬磨料的电镀或烧结磨具,CBN

砂轮成形磨齿如图3所示。

并且在刀具设计时将粗、精加工刀具设计成组合刀具,减少工序

数量。采用涂层高速钢或硬质合金刀具进行硬齿面剃齿和精滚,

齿轮精度可以达到IT6~IT5级;采用超硬刀具材料砂轮进行硬齿

面珩齿和磨齿,相对于传统工艺,可以明显降低表面粗糙度,提

高表面质量,提高精度1~2级,加工效率是常规齿面磨齿的25倍

以上。为了适应硬齿面齿轮加工的需求,所用加工机床更加注重

数控技术、高速加工和多功能性。

2)强力珩齿技术

由于齿轮加工常用的“滚齿→剃齿→热处理→磨齿”工艺在高精

度汽车变速箱齿轮加工中存在的局限性,其难以满足齿轮技术要

求。

对热处理后的硬齿面进行磨削,进而采用珩齿的方法提高质量,

加工成本较高。但是,采用强力珩齿直接对硬齿面加工,是高精

度齿轮加工的高效方法。强力珩齿技术可以使齿轮精度达到IT5级

以上,当制造成本与传统工艺接近的条件下,可以获得更高的加

工精度、表面质量和加工效率,展现出良好的经济效益。

强力珩齿的齿形齿向修正量可以大于0.05mm,可以修正热处理

变形和微缺陷,表面粗糙度可以达到Ra0.2μm以下,加工过程如

图4所示。

热处理后采用强力珩齿的工艺,可以减少磨齿导致的表面磨纹,

避免变速器齿轮啮合过程中产生的谐振和噪声;齿面具有较大的

残余压应力,显著增大了齿轮强度、耐磨性及抗点蚀性能;强力

珩齿过程中刀具相对齿面滑动同时去

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