基于材料-工藝-潤滑協同優化的汽車齒輪傳動效率提升技術

中圖分類號：U461.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0136-03

【Abstract】This paper mainly analyzes the efect of materials，machining and lubrication technology on improving the transmission efficiencyof automobile gears.In terms of materials，Cr-Moaloystel（18CrNiMo7-6）isused and carburizedandquenched to makethe gearsurface extremely hard （58～63 HRC）and wear-resistant，andthe depth of hardenedlayer is2.0～3.5mm.Inmachining，high-precision grindingandsuperfinishing （Klingelnberg P26detection）are used to control the tooth direction deviation in a very small range（ ?2μm/100mm ）tomake the tooth surface contact more uniform.In lubrication，synthetic gearoil and pressre circulation lubricationare selected based on DowsonHigginson equation toensure thattheoilflm is thick enough tocompletelyseparate thetooth surfaces.The frictionloss and vibration noise are efectively reduced by the cooperation of the threewhich provides a reference for developing efficient powertrain.

【Key words】gear transmisson eficiency；powertrain;precision machining;carburizing and quenching;oil film strength

0 引言

汽車是現代生活中隨處可見的交通工具，主要分為燃油車、電動汽車兩大類，動力總成的效率直接決定了車輛能耗和續航里程。其中，汽車動力總成是指汽車上產生動力并將其傳遞到路面的組件，由發動機、變速器及其相關部件組成，前者負責將其他形式的能量轉化為機械能，而后者承擔著將發動機的動力傳遞到驅動輪的職責。通過對動力總成內部的分析可知，齒輪能夠改變轉速，扭矩負責傳遞動力傳遞。但就傳統的齒輪設計而言，在高壓情況下，齒輪材料會出現變形、磨損，致使摩擦阻力持續增大，在帶來噪聲、振動的同時，還會縮短齒輪的使用壽命，對汽車的傳動效率和整體性能造成不利的影響。鑒于此，本文將從材料性能、精密加工工藝以及潤滑技術三方面入手，依次分析其對汽車齒輪傳動效率的作用機制，旨在為推動下一代汽車動力總成的高質量發展奠定良好基礎。

1汽車齒輪傳動系統的基本原理與結構

1.1齒輪傳動的基本工作原理

汽車齒輪傳動的工作原理是借助兩個齒輪的輪齒相互嚙合實現動力和運動的傳遞，當發動機帶動主動齒輪旋轉時，主動齒輪每旋轉一個齒位，從動齒輪就會跟隨主動齒輪轉動相同的距離。齒輪傳動系統中，穩定性是首要要求，傳動比是由兩個齒輪的齒數比決定的。主動齒輪比從動齒輪小時，被帶動旋轉的從動齒輪所在的輸出軸旋轉速度會明顯變慢。反過來，主動齒輪比從動齒輪大時，被帶動旋轉的從動齒輪所在的輸出軸旋轉速度會加快[1]。

1.2 齒輪傳動系統的結構組成

汽車齒輪傳動系統由各種功能齒輪組以及支撐它們的結構構成，在變速器里面，許多大小不一的齒輪被精密地安裝并排列在傳動軸上，發動機輸出的動力首先傳遞給一個與發動機曲軸緊密相連的輸入齒輪。尺寸相對較小的輸入齒輪開始轉動，帶動一個尺寸較大的輸出齒輪組合一起工作，整個系統進入減速狀態；而當需要更高的車速時，尺寸較大的輸人齒輪則驅動一個尺寸較小的輸出齒輪組合，系統便實現了加速傳動，滿足車輛高速行駛的需求。整個齒輪傳動系統通過精密地組合和操控不同尺寸、不同排列的齒輪，高效而可靠地將發動機產生的動力傳遞到車輪上，驅動車輛前進、后退以及保持不同速度行駛。

為了讓汽車動力的傳遞過程更加平穩順暢，避免沖擊和振動，在靠近發動機的動力輸入端會安裝離合器，用于控制動力的連接與斷開。離合器內部的摩擦片會在壓力作用下相互壓緊，當需要切斷動力時，摩擦片之間的壓力釋放，兩者分離，動力傳遞便中斷，從而實現動力柔和接入，保障了車輛起步換擋時的平穩。在動力輸出端，經過齒輪系統變速和傳遞后的動力通過萬向傳動軸輸送到驅動車輪所在的驅動橋，驅動橋內部的差速器會將傳來的動力合理地分配給連接左右兩側驅動車輪的半軸，從而使車輛能夠順暢地轉彎，同時避免了因為兩側車輪被迫以相同轉速轉動而在路面上產生的滑動磨損[2]。汽車齒輪傳動系統結構如圖1所示。

圖1汽車齒輪傳動系統結構

2汽車動力總成中齒輪傳動效率提升的關鍵技術

2.1 材料科學技術

在車輛運行時，齒輪處于高速旋轉狀態并且承受著重大的負荷，因此用來制造這些齒輪的材料必須非常堅硬和結實，能夠抵抗變形和斷裂；材料表面要非常耐磨損，并且具備一定的柔韌性和抗裂能力。這些綜合性能對于確保齒輪在長期重負荷下可靠、耐久地工作至關重要。依據相關標準（如ISO6336-5：2016）對齒輪材料的要求，18CrNiMo7-6鋼經過滲碳淬火處理后會形成特定的硬度分布。其表面非常堅硬，硬度值要求在58～63HRC之間；從表面向內部延伸的有效硬化層深度范圍在 2.0～3.5mm ；芯部區域的硬度則維持在280～350HV（約32～38HRC）。鉻元素能顯著提升鋼材在熱處理過程中的“淬透性”。高淬透性意味著齒輪從最外層表面到內部中心區域經熱處理后都能獲得均勻一致、高強度的組織結構，從而保證齒輪整體的強度和耐用性。鉬元素的加入則能使鋼材內部的晶粒結構變得更細小、更致密，進一步提高鋼材在高溫環境下的強度。對于齒輪而言，在工作時，它們常常承受著方向反復變化的負荷，這種脆性破壞的風險尤其需要避免[3。而要讓齒輪材料表現得更好，除了選用好鋼材，還需要用到先進的熱處理和表面強化技術。一種非常重要的工藝被稱為滲碳淬火，它是把齒輪放進一個充滿含碳氣體的環境里加熱，讓原子慢慢地滲入到齒輪表面一定深度，之后快速冷卻齒輪。經過這樣處理，齒輪表面會形成一層高硬度的耐磨層，從而能夠有效抵抗齒輪在相互咬合轉動時產生的表面磨損。

2.2 精密加工技術

精密加工技術保證齒輪主要參數（如齒型、齒向和齒距）能達到亞微米量級的精度。為了嚴格驗證這種精度，需依據相關檢測標準（如VDI/VDE2612）使用高精度齒輪測量儀——KlingelnbergP26進行檢測。精密加工后的齒輪齒向偏差可控制在每 100mm 測量長度不超過 2μm ，這些精確的測量數據是齒輪達到高性能與長壽命的重要保障。目前，齒輪加工設備主要有高精度齒輪滾齒機、插齒機和齒輪磨削機，其中機器設備幾何精度、動作精度、剛性和熱穩定性對加工影響起決定作用。設備主軸振動、導軌竄動或者熱變形問題都會直接表現在待加工件上。因此，對齒輪進行高精度加工，現有精加工齒輪機械都采用高強度礦物質鑄造座、液浮式或氣浮式導軌、高精密直線電動馬達動力以及先進的熱控制措施，通過硬件保證精度[4。在齒輪制造的后期階段，為了獲得更出色的齒面品質，通常會進行超精加工，使用顆粒非常細小的油石去除齒面最表層的少量材料，從而進一步降低齒面微觀凹凸不平的程度，并且修整掉齒面邊緣的微小凸起或毛刺。經過超精加工處理后，齒輪齒面會變得更加平整光滑。當兩個齒輪相互咬合運轉時，它們齒面之間實際發生接觸的區域面積會明顯增大，使得整個接觸區域所承受的壓力分布更為均勻，避免了局部壓力過高的情況。接觸應力分布均勻對于齒輪的好處顯而易見：一是齒輪在嚙合轉動過程中由于齒面摩擦而產生的能量損失會大幅度減少；二是齒輪嚙合時的運行平穩性得到改善，運轉更加順暢。

2.3 潤滑技術

在汽車齒輪傳動過程中，由于相接觸的兩對齒面有極大的相對線速度并伴以滾動，會產生摩擦現象；潤滑技術的本質則是對齒輪傳遞中一對摩擦表面添加并保持一定厚度高效的潤滑膜，從而使原來的固體之間的摩擦轉變為潤滑油內部的摩擦，極大地降低摩擦力與熱量消耗，并且能夠大大降低磨損程度。當前高效齒輪油產品的主體構成主要是合成型基礎油，相比于傳統的礦物質油，合成型產品具有較強的耐高溫能力，并不容易出現粘度過低的現象；同時，低溫流動性能更為優越，并且對高溫氧化的抵御能力較強，產品的使用壽命也更長。一般潤滑方式有噴霧潤滑及壓力循環潤滑。噴霧潤滑是通過齒輪旋轉將油池中的油甩出，形成油霧噴射至嚙合面[5]。

為定量評估潤滑效果并確保齒輪在極端工況下仍能避免金屬直接接觸導致的磨損，工程實踐中常采用Dowson-Higginson方程來計算齒輪接觸區域的最小油膜厚度（ h_min ）。該公式綜合考慮了齒輪材料的彈性特性（ E^′ ）、接觸區域的幾何特征 （R） 、潤滑油的粘度和壓力－粘度系數（ η_η0，a） 、齒輪相對運動速度（ U ）以及齒面承受的載荷（ W ）等關鍵因素。其基本形式為：

h_min=2.65R^0.43（αη₀U）^0.7/（E^′0.03W^0.13）

根據齒輪潤滑理論，如《TribologyInternational》2018年刊載的研究，當計算出的最小油膜厚度（ h_min ）大于齒輪兩接觸表面綜合粗糙度 （σ） 的3倍時，即h_mingt;3σ ，潤滑膜能夠有效將相互嚙合的齒面完全隔開。

為了確保齒輪、軸承等關鍵運動零部件有正常且充分的潤滑，一般會采用壓力循環潤滑的方法。在這種潤滑的方法中，會利用油泵將來自油箱的潤滑液抽出并進行相應的加壓，然后將加壓后的潤滑油送到需供潤的關鍵齒輪表面、軸承等主要摩擦點處進行潤滑。相較于直流通入潤滑或者噴濺式潤滑，這種方法在潤滑的持續、穩定、可控性方面更強，能夠實現這些主要摩擦點處潤滑油的連續、充足供給，顯著提升了潤滑的可靠性和可控性。齒輪在高轉速工況下工作會產生大量的摩擦熱，這些熱量大都會被潤滑劑所吸收，從而使潤滑劑升溫，進而降低潤滑劑的粘度，影響潤滑的效果。因此，為了保證潤滑系統的正常運行，工程師需要配置足夠高效的油冷卻設備來吸收多余的熱量、保持合適的溫度，這樣才能獲得最佳的潤滑效果。

材料科學技術、精密加工技術及潤滑技術在汽車動力總成中齒輪傳動效率提升中的協同作用機制如圖2所示。

圖2材料科學技術、精密加工技術及潤滑技術協同作用機制

3 結束語

綜上，本文通過材料-加工-潤滑三重協同機制顯著提升齒輪傳動效能。使用特殊合金鋼（18CrNiMo7-6）進行滲碳淬火處理，使齒輪表面堅硬耐磨，內部強韌，為高效傳動打下基礎。而后，采用高精度磨削工藝將齒面形狀誤差控制在極低水平，大幅增加了齒輪嚙合時的實際接觸面積。最后選用高性能合成齒輪油（PAO）形成穩定且足夠厚的潤滑油膜，降低摩擦阻力。后續，可進一步探索開發新型復合材料技術，推動基于人工智能的精密制造工藝，突破現有加工精度極限，從而為汽車工業的綠色發展提供更有力的技術支持。

參考文獻

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[2]李洪濤.電動汽車齒輪變速箱振動原因分析及齒輪傳動系統優化設計[J].內燃機與配件，2023（18）：38-40.

[3]郭都，陳星，尹燕莉，等.基于電機動態模型的電動汽車高速斜齒輪動載荷計算及壽命預測[J].重慶理工大學學報（自然科學），2021，35（12）：70-76.

[4]毛天雨，余泳，劉懷舉，等．飛行汽車齒輪傳動系統動態可靠性分析[J].機械傳動，2021，45（6）：96-103，176.

[5]劉根伸，劉懷舉，朱才朝，等.飛行汽車變速器齒輪傳動可靠性優化設計[J].重慶大學學報，2022，45（4）：1-11.

（編輯 楊景）