本文主要分析材料、加工和润滑技术对汽车齿轮传动效率的提升作用。材料方面，使用铬钼合金钢(18CrNiMo7-6)并渗碳淬火，使齿轮表面极硬(硬度为58~63HRC)且耐磨，硬化层深度达2.0~3.5mm；加工方面，采用高精度磨削和超精加工(KlingelnbergP26检测)，将齿向偏差控制在极小范围(≤2μm/100mm)，使齿面接触更均匀；润滑方面，基于Dowson-Higginson方程选用合成齿轮油(如PAO型)和压力循环润滑，确保油膜足够厚，将齿面完全隔开。三者协同有效降低了摩擦损失和振动噪声，为开发高效动力总成提供了参考。
引 言
汽车是现代生活中随处可见的交通工具，主要分为燃油车、电动汽车两大类，动力总成的效率直接决定了车辆能耗和续航里程。其中，汽车动力总成是指汽车上产生动力并将其传递到路面的组件，由发动机、变速器及其相关部件组成，前者负责将其他形式的能量转化为机械能，而后者承担着将发动机的动力传递到驱动轮的职责。
通过对动力总成内部的分析可知，齿轮能够改变转速，扭矩负责传递动力传递。但就传统的齿轮设计而言，在高压情况下，齿轮材料会出现变形、磨损，致使摩擦阻力持续增大，在带来噪声、振动的同时，还会缩短齿轮的使用寿命，对汽车的传动效率和整体性能造成不利的影响。鉴于此，本文将从材料性能、精密加工工艺以及润滑技术三方面入手，依次分析其对汽车齿轮传动效率的作用机制，旨在为推动下一代汽车动力总成的高质量发展奠定良好基础。
汽车齿轮传动系统的基本原理与结构
齿轮传动的基本工作原理:
汽车齿轮传动的工作原理是借助两个齿轮的轮齿相互啮合实现动力和运动的传递，当发动机带动主动齿轮旋转时，主动齿轮每旋转一个齿位，从动齿轮就会跟随主动齿轮转动相同的距离。齿轮传动系统中，稳定性是首要要求，传动比是由两个齿轮的齿数比决定的。主动齿轮比从动齿轮小时，被带动旋转的从动齿轮所在的输出轴旋转速度会明显变慢。反过来，主动齿轮比从动齿轮大时，被带动旋转的从动齿轮所在的输出轴旋转速度会加快。
齿轮传动系统的结构组成:
汽车齿轮传动系统由各种功能齿轮组以及支撑它们的结构构成，在变速器里面，许多大小不一的齿轮被精密地安装并排列在传动轴上，发动机输出的动力首先传递给一个与发动机曲轴紧密相连的输入齿轮。尺寸相对较小的输入齿轮开始转动，带动一个尺寸较大的输出齿轮组合一起工作，整个系统进入减速状态；而当需要更高的车速时，尺寸较大的输入齿轮则驱动一个尺寸较小的输出齿轮组合，系统便实现了加速传动，满足车辆高速行驶的需求。整个齿轮传动系统通过精密地组合和操控不同尺寸、不同排列的齿轮，高效而可靠地将发动机产生的动力传递到车轮上，驱动车辆前进、后退以及保持不同速度行驶。
为了让汽车动力的传递过程更加平稳顺畅，避免冲击和振动，在靠近发动机的动力输入端会安装离合器，用于控制动力的连接与断开。离合器内部的摩擦片会在压力作用下相互压紧，当需要切断动力时，摩擦片之间的压力释放，两者分离，动力传递便中断，从而实现动力柔和接入，保障了车辆起步换挡时的平稳。在动力输出端，经过齿轮系统变速和传递后的动力通过万向传动轴输送到驱动车轮所在的驱动桥，驱动桥内部的差速器会将传来的动力合理地分配给连接左右两侧驱动车轮的半轴，从而使车辆能够顺畅地转弯，同时避免了因为两侧车轮被迫以相同转速转动而在路面上产生的滑动磨损。汽车齿轮传动系统结构如图1所示。
图 1 汽车齿轮传动系统结构
汽车动力总成中齿轮传动效率提升的关键技术
材料科学技术:
在车辆运行时，齿轮处于高速旋转状态并且承受着重大的负荷，因此用来制造这些齿轮的材料必须非常坚硬和结实，能够抵抗变形和断裂；材料表面要非常耐磨损，并且具备一定的柔韧性和抗裂能力。这些综合性能对于确保齿轮在长期重负荷下可靠、耐久地工作至关重要。依据相关标准(如ISO 6336- 5:2016)对齿轮材料的要求，18CrNiMo7-6钢经过渗碳淬火处理后会形成特定的硬度分布。其表面非常坚硬，硬度值要求在58~63HRC之间；从表面向内部延伸的有效硬化层深度范围在2.0~3.5mm；芯部区域的硬度则维持在280~350HV(约32~38HRC)。铬元素能显著提升钢材在热处理过程中的“淬透性”。
高淬透性意味着齿轮从最外层表面到内部中心区域经热处理后都能获得均匀一致、高强度的组织结构，从而保证齿轮整体的强度和耐用性。钼元素的加入则能使钢材内部的晶粒结构变得更细小、更致密，进一步提高钢材在高温环境下的强度。对于齿轮而言，在工作时，它们常常承受着方向反复变化的负荷，这种脆性破坏的风险尤其需要避免。而要让齿轮材料表现得更好，除了选用好钢材，还需要用到先进的热处理和表面强化技术。一种非常重要的工艺被称为渗碳淬火，它是把齿轮放进一个充满含碳气体的环境里加热，让原子慢慢地渗入到齿轮表面一定深度，之后快速冷却齿轮。经过这样处理，齿轮表面会形成一层高硬度的耐磨层，从而能够有效抵抗齿轮在相互咬合转动时产生的表面磨损。
精密加工技术:
精密加工技术保证齿轮主要参数(如齿型、齿向和齿距)能达到亚微米量级的精度。为了严格验证这种精度，需依据相关检测标准(如VDI/VDE 2612)使用高精度齿轮测量仪——Klingelnberg P26进行检测。精密加工后的齿轮齿向偏差可控制在每100mm测量长度不超过2μm，这些精确的测量数据是齿轮达到高性能与长寿命的重要保障。目前，齿轮加工设备主要有高精度齿轮滚齿机、插齿机和齿轮磨削机，其中机器设备几何精度、动作精度、刚性和热稳定性对加工影响起决定作用。设备主轴振动、导轨窜动或者热变形问题都会直接表现在待加工件上。
因此，对齿轮进行高精度加工，现有精加工齿轮机械都采用高强度矿物质铸造座、液浮式或气浮式导轨、高精密直线电动马达动力以及先进的热控制措施，通过硬件保证精度。在齿轮制造的后期阶段，为了获得更出色的齿面品质，通常会进行超精加工，使用颗粒非常细小的油石去除齿面最表层的少量材料，从而进一步降低齿面微观凹凸不平的程度，并且修整掉齿面边缘的微小凸起或毛刺。经过超精加工处理后，齿轮齿面会变得更加平整光滑。当两个齿轮相互咬合运转时，它们齿面之间实际发生接触的区域面积会明显增大，使得整个接触区域所承受的压力分布更为均匀，避免了局部压力过高的情况。接触应力分布均匀对于齿轮的好处显而易见：一是齿轮在啮合转动过程中由于齿面摩擦而产生的能量损失会大幅度减少；二是齿轮啮合时的运行平稳性得到改善，运转更加顺畅。
润滑技术:
在汽车齿轮传动过程中，由于相接触的两对齿面有极大的相对线速度并伴以滚动，会产生摩擦现象；润滑技术的本质则是对齿轮传递中一对摩擦表面添加并保持一定厚度高效的润滑膜，从而使原来的固体之间的摩擦转变为润滑油内部的摩擦，极大 地降低摩擦力与热量消耗，并且能够大大降低磨损程度。当前高效齿轮油产品的主体构成主要是合成型基础油，相比于传统的矿物质油，合成型产品具有较强的耐高温能力，并不容易出现粘度过低的现象；同时，低温流动性能更为优越，并且对高温氧化的抵御能力较强，产品的使用寿命也更长。一般润滑方式有喷雾润滑及压力循环润滑。喷雾润滑是通过齿轮旋转将油池中的油甩出 , 形成油雾喷射至啮合面。
为定量评估润滑效果并确保齿轮在极端工况下仍能避免金属直接接触导致的磨损，工程实践中常采用Dowson-Higginson方程来计算齿轮接触区域的最小油膜厚度(hmin)。该公式综合考虑了齿轮材料的弹性特性(E')、接触区域的几何特征(R)、润滑油的粘度和压力-粘度系数(η0, α)、齿轮相对运动速度(U)以及齿面承受的载荷(W)等关键因素。 其基本形式为：
根据齿轮润滑理论，如《Tribology International》2018年刊载的研究，当计算出的最小油膜厚度(hmin)大于齿轮两接触表面综合粗糙度(σ)的3倍时，即hmin>3σ，润滑膜能够有效将相互啮合的齿面完全隔开。
为了确保齿轮、轴承等关键运动零部件有正常且充分的润滑，一般会采用压力循环润滑的方法。在这种润滑的方法中，会利用油泵将来自油箱的润滑液抽出并进行相应的加压，然后将加压后的润滑油送到需供润的关键齿轮表面、轴承等主要摩擦点处进行润滑。相较于直流通入润滑或者喷溅式润滑，这种方法在润滑的持续、稳定、可控性方面更强，能够实现这些主要摩擦点处润滑油的连续、充足供给，显著提升了润滑的可靠性和可控性。
齿轮在高转速工况下工作会产生大量的摩擦热，这些热量大都会被润滑剂所吸收，从而使润滑剂升温，进而降低润滑剂的粘度，影响润滑的效果。因此，为了保证润滑系统的正常运行，工程师需要配置足够高效的油冷却设备来吸收多余的热量、保持合适的温度，这样才能获得最佳的润滑效果。
材料科学技术、精密加工技术及润滑技术在汽车动力总成中齿轮传动效率提升中的协同作用机制如图2所示。
图 2 材料科学技术、精密加工技术及润滑技术协同作用机制
结束语
综上，本文通过材料-加工-润滑三重协同机制显著提升齿轮传动效能。使用特殊合金钢(18CrNiMo7-6)进行渗碳淬火处理，使齿轮表面坚硬耐磨，内部强韧，为高效传动打下基础。而后，采用高精度磨削工艺将齿面形状误差控制在极低水平，大幅增加了齿轮啮合时的实际接触面积。最后选用高性能合成齿轮油(PAO)形成稳定且足够厚的润滑油膜，降低摩擦阻力。后续，可进一步探索开发新型复合材料技术，推动基于人工智能的精密制造工艺，突破现有加工精度极限，从而为汽车工业的绿色发展提供更有力的技术支持。
来源：汽车电器