1.增加低碳合金钢中Ni元素含量
变速器齿轮可采用SAE8620H材料代替20CrMoH来提高齿轮根部的弯曲疲劳强度，表1为SAE8620H与20CrMoH材料主要化学成分的区别。SAE8620H材料Ni元素含量增加了约0.50%，Cr元素含量减少约0.50%，即用0.50%的Ni元素代替0.50%的Cr元素。Ni元素能中等强化铁素体，增加Ni元素能很好地提高心部铁素体组织的强度。分别抽取不同炉号的10个试样，进行力学性能试验，见表2，SAE8620H试样屈服强度明显高于20CrMoH试样10%以上，有利于齿轮根部弯曲疲劳强度的提升。
表1 20CrMoH与SAE8620H主要化学成分(质量分数)要求(%)
表2 20CrMoH和SAE8620H屈服强度对比
2.控制齿轮淬火后的心部硬度
而Ni元素对淬透性的影响弱于Cr元素，在其他主要成分相差不大时，SAE8620H的淬透性明显低于20CrMoH，J9端淬值通常低3HRC左右，即使轿车变速器齿轮模数≤3mm，但对心部硬度造成的影响很明显。为了充分发挥SAE8620H材料的韧性，提高齿轮根部弯曲疲劳强度，通过台架试验发现轿车变速器齿轮的心部硬度最佳控制在35～40HRC。SAE8620H材料可以采取如下措施来提高齿根心部硬度：选取合适的端淬值;适当冷速的淬火油;提高淬火温度;提高淬火时冷却烈度及均匀性等。
3.选取合适的喷丸强化工艺
对扭矩要求更高的齿轮副，在齿部精加工后增加强力喷丸工艺，在齿轮表层形成一塑性变形层即强化层，当前我司喷丸强化工艺强化层深度约为0.15mm。利用该表面塑性变形层分别从残余压应力场、变形显微组织、残留奥氏体向马氏体转变、机加工刀痕的有效消除等方面来改善齿轮的疲劳强度。
但喷丸强化是具有动能的高速钢丸喷打到齿面，使齿部产生塑性变形，对齿面存在较大的损伤。对于研磨齿面，粗糙度变差约0.2μm、齿部精度下降一级以上。通过选取较低的喷丸强度(弧高值0.2～0.3mmA)，配合圆度G2级以上的切丝钢丸，能有效减少齿面塑性变形量，而表层残余压应力又能达到600MPa以上的设计要求。 在正常喷丸强化后，采用直径0.2mm的切丝钢丸再进行一次更低强度的喷打，能进一步优化齿面粗糙度，减少表层疲劳微裂纹源。
4.喷丸强化后磷化处理
针对喷丸强化后齿面损伤问题，可在喷丸强化后再增加锰系抗磨磷化工艺。齿面在喷丸强化过程中产生了大量的凹坑，磷化膜能很好地覆盖凹坑，提升齿面粗糙度，同时磷化膜具有多孔结构可吸附大量润滑油，改善齿面润滑状况。为了获得的较好的存油效果，采用90～98℃的高温磷化工艺，磷化膜厚度10～25μm，磷化膜晶粒度3～16μm，表面腐蚀深度控制在0～4级。经实验测量，磷化后齿面摩擦因数约为0.151，优于普通磨齿齿面摩擦因数，改善了齿面啮合时润滑状态，从而延长了齿轮副疲劳寿命。
5.喷丸强化后高能等离子喷涂处理
(1)表层显微组织相变强化
高能等离子喷涂工艺致使表层约20μm深度区域化学成分及显微组织发生改变，从20μm～0.15mm处依然是喷丸强化层。高能等离子喷涂，采用Mo等合金元素组成的复合材料，钼能使钢的晶粒细化，提高力学性能。在高温高压的条件下撞击并渗透进母材的20μm以内深度表面，使金属表面20μm以内深度的晶相组织发生改变(见图1、图2)，图2表面波纹度很小，几乎没有晶界氧化，疲劳微裂纹就不易从表面发生，有利于齿面疲劳强度的提高。
图1 渗碳淬火后金相组织(500×)
图2 喷涂后金相组织(500×)
经过高能等离子喷涂后，表面显微硬度有所提升(见表3)，虽影响很浅，但能适当提升齿面接触疲劳强度。
表3 输入轴喷涂前后表面硬度值
(2)残余压应力增加
从残余应力检测值表4可看出，次表层残余压应力增加量达到10%以上，进一步强化了压应力场，而提升疲劳强度。
表4 输入轴齿部喷涂前后残余应力值
(3)齿面摩擦因数的改善
在加工过程中加入固体润滑剂，固体润滑剂渗入金属表面后，使表面具有自润滑的效果，摩擦阻力减少。经过摩擦试验测试(见图3)，干摩擦因数下降12.1%，湿摩擦因数下降7.8%，齿轮副在啮合过程中，齿面运转状况得到进一步改善。
经过高能等离子喷涂后，齿形轮廓偏差、螺旋线轮廓偏差值下降4～6μm;对于0.8～1.6μm的磨、剃齿面，齿面粗糙度改善约50%(见表5)。高能等离子喷涂能很好地弥补喷丸强化给齿面带来的损伤，优化齿轮表面质量，从而提升疲劳强度。
表5 输入轴喷涂前后粗糙度变化
综上所述，提高低碳合金钢齿轮的疲劳强度，可以采取以下措施：
(1)选取韧性较好的SAE8620H等含Ni低碳合金钢。
(2)采用合适的渗碳淬火工艺，控制齿轮心部硬度。
(3)采取适当的喷丸强化工艺，提升表层残余压应力值。
(4)强喷后增加高温等离子喷涂等复合工艺。