隨著齒輪傳動(dòng)研究和齒輪制造技術(shù)水平的提高，齒輪的修形技術(shù)有了很大發(fā)展，特別是國(guó)外的重型汽車變速器齒輪應(yīng)用更為廣泛。通過(guò)齒輪的修形明顯改變了齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，降低了齒輪的噪器和振動(dòng)，提高了齒輪的承載能力，延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命，給生產(chǎn)廠帶來(lái)了很大的經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合我公司生產(chǎn)的A154重型車變速器齒輪，主要介紹如何進(jìn)行剃齒齒形齒向修形的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，以達(dá)到降低A154變速器齒輪噪聲和振動(dòng)，提高A154變速箱制造水平的目的。

　　A154重型系列變速器是我廠自主新開(kāi)發(fā)的重型變速器。分兩大系列：DT1425和DT1420，額定輸入轉(zhuǎn)矩分別為 2500N ? m和2000N ? m，匹配車型分別為H02、H03和 T38H、T38L、T68L，該變速器擁有14前進(jìn)檔+2倒檔，屬于機(jī)械變速器。

　　A154變速器在設(shè)計(jì)中吸取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)實(shí)用的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝性好，與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比性能更可靠，技術(shù)含量較高，具有一定的優(yōu)越性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。A154系列變速器作為變速器公司實(shí)施產(chǎn)品調(diào)整，向重型車邁出的第一步，將給公司帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1 問(wèn)題的提出

　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)汽車變速器提出了越來(lái)越高的質(zhì)量要求。變速器除了它的使用壽命和可靠性外，其噪聲的大小是評(píng)定其質(zhì)量水平的重要指標(biāo)之一。

　　變速器噪聲的主要來(lái)源是齒輪嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的。齒輪傳動(dòng)由于受制造和安裝誤差、齒輪彈性變形及熱變形等因素的影響，在嚙合過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和偏載，從而導(dǎo)致齒輪早期失效的概率增大。生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究表明，僅僅依靠提高齒輪的制造和安裝精度來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)齒輪的高性能要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而且會(huì)大大增加齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的制造成本。對(duì)漸開(kāi)線圓柱齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扌?，?duì)改善其運(yùn)轉(zhuǎn)性能、提高其承載能力、延長(zhǎng)其使用壽命有著明顯的效果。

　? 2 齒輪的修形

　　我公司在重型汽車變速器齒輪的生產(chǎn)中，為了保證獲得一定精度等級(jí)的齒輪，采用了切實(shí)可行的、先進(jìn)的齒輪制造工藝。同時(shí)，為了有效地降低齒輪噪聲，在齒輪設(shè)計(jì)中采用了齒輪修形。齒輪的修形一般是指齒輪的彈性變形修形和齒輪的熱變形修形。

　　齒輪的彈形變形修形：齒輪裝置在傳遞功率時(shí)，由于受載荷的作用，各個(gè)零部件都會(huì)產(chǎn)生程度不同的彈性變形，其中包括輪齒、輪體、箱 體、軸承等的變形。尤其與齒輪相關(guān)的彈性變形，如輪齒變形和輪體變形會(huì)引起齒輪的齒廓和齒向曲線的畸變，使齒輪在嚙合過(guò)程中，產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)和偏載。因此，齒輪的彈形變形修形包括齒廓(形)修形和齒向修形。

　　齒輪的熱變形修形：漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)在工作時(shí)，嚙合齒面間和軸承中都會(huì)由于摩擦而產(chǎn)生，從而引起齒輪的熱變形。高速齒輪的熱變形主要對(duì)輪齒齒向產(chǎn)生影響，對(duì)齒廓影響很小。因此，熱變形修形主要是對(duì)齒向修形。試驗(yàn)表明，對(duì)于節(jié)圓線速度低于100m/s的齒輪，齒向溫度差異很小，可不予考慮。對(duì)于節(jié)圓線速度高于100m/s的齒輪，應(yīng)考慮熱變形的影響。由于A148變速器齒輪節(jié)圓線速度一般低于100m/s，本文不加以論述。

　　3設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向的定義

　　設(shè)計(jì)齒形：設(shè)計(jì)齒形是以漸開(kāi)線為基礎(chǔ)，考慮制造誤差和彈性變形對(duì)噪聲，動(dòng)載荷的影響加以修正的齒形。設(shè)計(jì)齒形可以是修正的理論漸開(kāi)線，它包括修緣齒形，凸齒形等。

　　設(shè)計(jì)齒向：設(shè)計(jì)齒向是要求的實(shí)際螺旋角與理論螺旋角有適當(dāng)?shù)牟钪?，或使齒向各處為不盡相同的螺旋角，以補(bǔ)償齒輪在全工況下多種原因造成的螺旋角畸變的齒向，實(shí)現(xiàn)齒寬均勻受 載，提高齒輪承載能力及減少嚙合噪聲。設(shè)計(jì)齒向可以是修 正的圓柱螺旋線，或其它修形曲線。

　　設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向如圖1所示。

　　圖1設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向

　　設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向的設(shè)計(jì)：

　　設(shè)計(jì)齒形的設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)齒形概念使用之前，通常所說(shuō)的齒形是指標(biāo)準(zhǔn)的漸開(kāi)線齒形，當(dāng)齒輪齒廓為一理想(即沒(méi)有形狀或壓力角誤差)漸開(kāi)線時(shí)，實(shí)測(cè)記錄曲線是一條直線，如圖2a。實(shí)際生產(chǎn)中，齒輪的齒形總是有偏差的，如圖2b為正齒頂齒形，圖2c為副齒頂齒形，當(dāng)給定齒形公差為Δff時(shí)，在圖 2a和圖2b中，只要包容實(shí)際齒形誤差曲線的兩條平行線之間的距離不超過(guò)Δff時(shí)，該齒形均判合格。

　　圖2 齒輪齒廓

　　因此當(dāng)圖2a與圖2b重疊時(shí)，就產(chǎn)生了等效的帶形公差帶。如圖3所示

　　圖3 等效公差帶

　　當(dāng)圖3的帶形公差帶經(jīng)過(guò)變形，或齒頂、齒根修緣等技術(shù)要求的限定之后，就變成如圖4中所示的K形公差帶或凸形公差帶。

　　設(shè)計(jì)齒形的設(shè)計(jì)步驟：

　　1. 計(jì)算齒輪的端面重疊系數(shù)(重合度)

　　計(jì)算出齒輪的重合度，并根據(jù)重合度大小來(lái)確定自己的設(shè)計(jì)齒形，國(guó)內(nèi)外很多標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)都有論述：

　　原蘇聯(lián)TOCT3058-54標(biāo)準(zhǔn)推薦，對(duì)于直齒輪當(dāng)重合度小于1.089，斜齒輪當(dāng)重合度小于1時(shí)不進(jìn)行齒形修正。高速齒輪修正，低速齒輪不修正。

　　我國(guó)齒輪手冊(cè)推薦，對(duì)于直齒輪，沿嚙合線有一段長(zhǎng)度等于一個(gè)基節(jié)的部分應(yīng)留下來(lái)不作修正，以保證嚙合時(shí)重合度大于1。

　　“齒輪振動(dòng)與噪聲” 一書(shū)對(duì)齒形修形的闡述：在僅有一對(duì)輪齒嚙合時(shí)(即重合度為1)，不應(yīng)該進(jìn)行修緣，這是因?yàn)樵趩锡X嚙合狀態(tài)，對(duì)漸開(kāi)線的偏離只會(huì)助長(zhǎng)振動(dòng)的發(fā)生。當(dāng)重合度接近2時(shí)，修緣末端可在齒面1/3處。

　　2. 根據(jù)實(shí)際需要和生產(chǎn)成本大小等來(lái)選擇設(shè)計(jì)齒形

　　齒輪可以是一對(duì)齒輪的齒頂修緣，也可以是單個(gè)齒輪齒頂和齒根同時(shí)修緣，與之相配的齒輪不修形。

　　實(shí)際上我公司的A154重型變速箱的齒輪是全部修緣，均為設(shè)計(jì)齒形。

　　3. 確定齒輪的修形量和修形長(zhǎng)度

　　根據(jù)有關(guān)理論并結(jié)合世界各有關(guān)廠家的成熟經(jīng)驗(yàn)，采用類比法或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定。通常齒輪齒頂、齒根的修形量大約在0. 005 ~ 0. 03mm之間。

　　4. 對(duì)主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)齒形分別對(duì)待

　　由齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)原理我們可知，在齒輪嚙合過(guò)程中，主動(dòng)齒輪的嚙合一定是從齒根到齒頂，從動(dòng)齒輪的嚙合一定是從齒頂?shù)烬X根，而且主動(dòng)齒輪的基節(jié)應(yīng)略大于被動(dòng)齒輪的基節(jié)，以防止嚙合時(shí)出現(xiàn)脫嚙現(xiàn)象引起的沖擊和振動(dòng)。因此：

　　上式表明在齒輪的齒廓上，主動(dòng)齒輪齒廓略正，從動(dòng)齒輪齒廓略負(fù)，如圖5所示。

　　圖5主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪齒廓對(duì)比

　　5. 試驗(yàn)、完善

　　進(jìn)行必要的試驗(yàn)，通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)齒形進(jìn)行修改完善，以求達(dá)到最佳效果。因?yàn)辇X輪正確嚙合因素很多，如制造誤差，材料在力的作用下的畸變等原因， 要想僅靠純理論計(jì)算得到設(shè)計(jì)齒形來(lái)對(duì)這些因素得影響給以完全補(bǔ)償是不可能的，因此應(yīng)不斷在實(shí)踐中探索，總結(jié)，仍是完善設(shè)計(jì)齒形的一個(gè)重要手段。

　　設(shè)計(jì)齒向的設(shè)計(jì)步驟：

　　1. 根據(jù)具體的加工情況及實(shí)際工況來(lái)選擇設(shè)計(jì)齒向

　　通常一對(duì)齒輪只修正其中的一個(gè)齒輪的齒向，對(duì)于汽車變速箱，一般修正中間軸上的齒輪為好。如果一個(gè)齒輪的齒向修 正不能滿足使用要求，可在兩個(gè)齒輪上進(jìn)行修正，如圖6所示。

　　圖6齒向修正

　　2. 確定齒向線的螺旋角修正量及其方向

　　螺旋角修正量及其方向是很復(fù)雜的，僅從理論上還不能完全解決，還需作相應(yīng)大量的試驗(yàn)。如通過(guò)熱處理變形試驗(yàn)，我公司的A148重型車變速器齒輪剃齒工序采用加大螺旋角的方向加大螺旋角2′~5′進(jìn)行修形。

　　3. 確定齒寬方向上的最大、最小鼓形量(平行齒例外)

　　齒向鼓形量是設(shè)計(jì)齒向的主要參數(shù)之一，其確定方法很多，應(yīng)根據(jù)具體的加工情況及實(shí)際工況來(lái)選擇。如：日本、英國(guó)、ISO標(biāo)準(zhǔn)是給出鼓形量的計(jì)算公式，而美國(guó)AGMA標(biāo)準(zhǔn)是直接給出數(shù)據(jù)。齒輪手冊(cè)給出的是相關(guān)計(jì)算公式，中國(guó)汽車齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦齒向鼓形量為0~Fβ/2。

　　4. 試驗(yàn)、完善

　　進(jìn)行必要的試驗(yàn)，通過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)齒向進(jìn)行修改完善，以求達(dá)到最佳效果。

　　實(shí)例：

　　下面是一對(duì)A154重型車變速器中的齒輪，1701048- 90300中間軸齒圈1為主動(dòng)齒輪，1701116-90300為從動(dòng)齒輪，結(jié)合上面所述的基本設(shè)計(jì)思想和步驟來(lái)進(jìn)行齒輪設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向的初定。

　　表1中為1701048-90300中間軸齒圈1 (主動(dòng)齒輪)和1701116-90300 (從動(dòng)齒輪)的齒輪參數(shù)。

表1齒輪參數(shù)

　　1. 設(shè)計(jì)齒形的設(shè)計(jì)

　　(1) 計(jì)算重合度

　　1) 計(jì)算嚙合壓力角α′

　　2) 計(jì)算嚙合園半徑

　　3) 計(jì)算有效嚙合線長(zhǎng)度

　　4) 基節(jié)

　　齒頂?shù)菇菫?. 6mm

　　該對(duì)齒輪嚙合重合度為ε=(22.97 - 0.6 )/16. 94=1.32 >1，故該對(duì)齒輪可以進(jìn)行修形。

　　(2) 確定齒輪齒廓修形方式。采用齒輪手冊(cè)推薦的第三種方式：從動(dòng)齒輪齒頂和齒根都修形，主動(dòng)齒輪不修形。

　　(3) 計(jì)算該對(duì)齒輪的修形量和修形長(zhǎng)度

　　1) 計(jì)算嚙合極點(diǎn)曲率半徑

　　2) 齒頂?shù)男蘧壛喀腶和齒根的修緣量δ_f。影響δ_a和δ_f的因素很多，理論上齒輪在高速重載下，齒的彈性變形，撓曲變形以及制造誤差等應(yīng)能精確的抵消齒頂?shù)男蘧壭Ч?，絕對(duì)做到是不可能的，盡可能做到或是接近還是可行的。

　　我國(guó)齒輪手冊(cè)推薦齒輪齒頂、齒根或兩端的修形量通常在0.007~0.03mm之間。

　　從動(dòng)齒輪齒頂、齒根的最大、最小修行量Δ1_u，Δ1_o，Δ2_u，Δ2_o計(jì)算如下：

　　其中，Wt為單位齒寬載荷;Ft為齒輪切向力;B為齒輪有效寬度B=60mm。

　　3)齒輪修緣起始點(diǎn)

　　齒高最小修緣起始點(diǎn)：取tb的系數(shù)為0.5，則

　　齒根最大修緣起始點(diǎn)：

　　(4)遵循主動(dòng)輪的基節(jié)應(yīng)略大于被動(dòng)輪的基節(jié)這個(gè)總原則，選取適當(dāng)?shù)凝X形。

　　主動(dòng)輪的齒形偏差最大正0.01mm，最小為零;從動(dòng)輪的齒形偏差最大為零，最小為負(fù)0.01mm。

　　(5)繪制齒形圖，如圖7所示，其中e=3μm，Δ1_u=a，Δ1_o=b，Δ2_u=c，Δ2_o=d

圖7 齒形圖

　　2.設(shè)計(jì)齒向的設(shè)計(jì)

　　(1) 根據(jù)具體的加工情況及實(shí)際工況來(lái)選擇設(shè)計(jì)齒向。1701048-90300中間軸齒圈1和1701116- 90300均采用鼓形齒。

　　(2) 確定齒向線的螺旋角修正量及其方向。如通過(guò)熱處理變形試驗(yàn)，該對(duì)齒輪采用在加大螺旋角的方向加大螺旋角4′，進(jìn)行修形，以補(bǔ)償熱處理變形。

　　(3) 確定齒寬方向上的最大、最小鼓形量。根據(jù)中國(guó)汽車齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦齒向鼓形量為0~ 0.011mm，實(shí)際上為了補(bǔ)償熱處理變形，齒向鼓形量修正為0. 014 ~0. 025mm。

　　(4) 繪制齒向如圖8所示，齒向線修正，具有最大鼓形。

圖8 齒向圖

　　4 設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向的應(yīng)用

　　設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向采用K形圖實(shí)際上是以節(jié)園點(diǎn)為凸點(diǎn)的凸形修形齒，還不能算是最完善的設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向。根據(jù)我公司一貫運(yùn)用情況，經(jīng)過(guò)A154小批量生產(chǎn)實(shí)踐，設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向經(jīng)過(guò)多次局部修改，2017年3月設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向形成文件，詳見(jiàn)《重型汽車(DF14S 系列)變速器齒輪修形標(biāo)準(zhǔn)》。經(jīng)過(guò)近1年的齒形齒向攻關(guān)，目前變速器下線5萬(wàn)多臺(tái)，其噪聲基本控制在比較理想的范圍內(nèi)，合格率達(dá)到99%以上，有效解決了工廠長(zhǎng)期困擾的難題。通過(guò)臺(tái)架接觸痕跡試驗(yàn)，市場(chǎng)返回件接觸痕跡勘察，不斷改進(jìn)，不斷試驗(yàn)，不斷完善，最終形成修形如圖9所示。

　　圖9 二檔齒輪(116)K形修形圖

　　5 結(jié)論

　　綜上所述，我們看出，目前完全依靠各種理論，優(yōu)化計(jì)算得到設(shè)計(jì)齒形，設(shè)計(jì)齒向還不能達(dá)到最佳效果，仍需要實(shí)踐、摸索、修正。但有一點(diǎn)可以肯定，只要在齒形、齒向上稍下點(diǎn) 功夫，就能得到事半功倍的效果。我希望在我們自己設(shè)計(jì)的汽 車變速箱中，更好地使用設(shè)計(jì)齒形、設(shè)計(jì)齒向，不斷實(shí)踐、修改、完善，使我們的產(chǎn)品質(zhì)量更上一層樓，早日打入國(guó)際市場(chǎng)。