隨著齒輪傳動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，特別是國外的重型汽車變速器齒輪應(yīng)用更為廣泛。通過齒輪的修形明顯改變了齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，降低了齒輪的噪器和振動，提高了齒輪的承載能力，延長了齒輪的使用壽命，給生產(chǎn)廠帶來了很大的經(jīng)濟效益。本文結(jié)合我公司生產(chǎn)的A154重型車變速器齒輪，主要介紹如何進行剃齒齒形齒向修形的設(shè)計、優(yōu)化，以達到降低A154變速器齒輪噪聲和振動，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前進檔+2倒檔，屬于機械變速器。

　　A154變速器在設(shè)計中吸取了國內(nèi)外先進實用的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，工藝性好，與國內(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)越性和市場競爭能力。A154系列變速器作為變速器公司實施產(chǎn)品調(diào)整，向重型車邁出的第一步，將給公司帶來巨大的經(jīng)濟效益。

　　1 問題的提出

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

　　變速器噪聲的主要來源是齒輪嚙合運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的。齒輪傳動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，在嚙合過程中不可避免地會產(chǎn)生沖擊、振動和偏載，從而導(dǎo)致齒輪早期失效的概率增大。生產(chǎn)實踐和理論研究表明，僅僅依靠提高齒輪的制造和安裝精度來滿足日益增長的對齒輪的高性能要求是遠遠不夠的，而且會大大增加齒輪轉(zhuǎn)動的制造成本。對漸開線圓柱齒輪進行適當?shù)男扌危瑢Ω纳破溥\轉(zhuǎn)性能、提高其承載能力、延長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的齒輪，采用了切實可行的、先進的齒輪制造工藝。同時，為了有效地降低齒輪噪聲，在齒輪設(shè)計中采用了齒輪修形。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，由于受載荷的作用，各個零部件都會產(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引起齒輪的齒廓和齒向曲線的畸變，使齒輪在嚙合過程中，產(chǎn)生沖擊、振動和偏載。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：漸開線圓柱齒輪傳動在工作時，嚙合齒面間和軸承中都會由于摩擦而產(chǎn)生，從而引起齒輪的熱變形。高速齒輪的熱變形主要對輪齒齒向產(chǎn)生影響，對齒廓影響很小。因此，熱變形修形主要是對齒向修形。試驗表明，對于節(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)計齒形、設(shè)計齒向的定義

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

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

　　設(shè)計齒形、設(shè)計齒向如圖1所示。

　　圖1設(shè)計齒形、設(shè)計齒向

　　設(shè)計齒形、設(shè)計齒向的設(shè)計：

　　設(shè)計齒形的設(shè)計：在設(shè)計齒形概念使用之前，通常所說的齒形是指標準的漸開線齒形，當齒輪齒廓為一理想(即沒有形狀或壓力角誤差)漸開線時，實測記錄曲線是一條直線，如圖2a。實際生產(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，當給定齒形公差為Δff時，在圖 2a和圖2b中，只要包容實際齒形誤差曲線的兩條平行線之間的距離不超過Δff時，該齒形均判合格。

　　圖2 齒輪齒廓

　　因此當圖2a與圖2b重疊時，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

　　當圖3的帶形公差帶經(jīng)過變形，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)計齒形的設(shè)計步驟：

　　1. 計算齒輪的端面重疊系數(shù)(重合度)

　　計算出齒輪的重合度，并根據(jù)重合度大小來確定自己的設(shè)計齒形，國內(nèi)外很多標準和手冊都有論述：

　　原蘇聯(lián)TOCT3058-54標準推薦，對于直齒輪當重合度小于1.089，斜齒輪當重合度小于1時不進行齒形修正。高速齒輪修正，低速齒輪不修正。

　　我國齒輪手冊推薦，對于直齒輪，沿嚙合線有一段長度等于一個基節(jié)的部分應(yīng)留下來不作修正，以保證嚙合時重合度大于1。

　　“齒輪振動與噪聲” 一書對齒形修形的闡述：在僅有一對輪齒嚙合時(即重合度為1)，不應(yīng)該進行修緣，這是因為在單齒嚙合狀態(tài)，對漸開線的偏離只會助長振動的發(fā)生。當重合度接近2時，修緣末端可在齒面1/3處。

　　2. 根據(jù)實際需要和生產(chǎn)成本大小等來選擇設(shè)計齒形

　　齒輪可以是一對齒輪的齒頂修緣，也可以是單個齒輪齒頂和齒根同時修緣，與之相配的齒輪不修形。

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

　　3. 確定齒輪的修形量和修形長度

　　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，采用類比法或經(jīng)驗公式計算確定。通常齒輪齒頂、齒根的修形量大約在0. 005 ~ 0. 03mm之間。

　　4. 對主動齒輪、從動齒輪的設(shè)計齒形分別對待

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

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

　　圖5主動齒輪與從動齒輪齒廓對比

　　5. 試驗、完善

　　進行必要的試驗，通過各項指標測試，進一步對設(shè)計齒形進行修改完善，以求達到最佳效果。因為齒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， 要想僅靠純理論計算得到設(shè)計齒形來對這些因素得影響給以完全補償是不可能的，因此應(yīng)不斷在實踐中探索，總結(jié)，仍是完善設(shè)計齒形的一個重要手段。

　　設(shè)計齒向的設(shè)計步驟：

　　1. 根據(jù)具體的加工情況及實際工況來選擇設(shè)計齒向

　　通常一對齒輪只修正其中的一個齒輪的齒向，對于汽車變速箱，一般修正中間軸上的齒輪為好。如果一個齒輪的齒向修 正不能滿足使用要求，可在兩個齒輪上進行修正，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。如通過熱處理變形試驗，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際工況來選擇。如：日本、英國、ISO標準是給出鼓形量的計算公式，而美國AGMA標準是直接給出數(shù)據(jù)。齒輪手冊給出的是相關(guān)計算公式，中國汽車齒輪行業(yè)標準推薦齒向鼓形量為0~Fβ/2。

　　4. 試驗、完善

　　進行必要的試驗，通過各項指標測試，進一步對設(shè)計齒向進行修改完善，以求達到最佳效果。

　　實例：

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

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

表1齒輪參數(shù)

　　1. 設(shè)計齒形的設(shè)計

　　(1) 計算重合度

　　1) 計算嚙合壓力角α′

　　2) 計算嚙合園半徑

　　3) 計算有效嚙合線長度

　　4) 基節(jié)

　　齒頂?shù)菇菫?. 6mm

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

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

　　(3) 計算該對齒輪的修形量和修形長度

　　1) 計算嚙合極點曲率半徑

　　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?，絕對做到是不可能的，盡可能做到或是接近還是可行的。

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

　　從動齒輪齒頂、齒根的最大、最小修行量Δ1_u，Δ1_o，Δ2_u，Δ2_o計算如下：

　　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

　　齒高最小修緣起始點：取tb的系數(shù)為0.5，則

　　齒根最大修緣起始點：

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

　　主動輪的齒形偏差最大正0.01mm，最小為零;從動輪的齒形偏差最大為零，最小為負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)計齒向的設(shè)計

　　(1) 根據(jù)具體的加工情況及實際工況來選擇設(shè)計齒向。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。如通過熱處理變形試驗，該對齒輪采用在加大螺旋角的方向加大螺旋角4′，進行修形，以補償熱處理變形。

　　(3) 確定齒寬方向上的最大、最小鼓形量。根據(jù)中國汽車齒輪行業(yè)標準推薦齒向鼓形量為0~ 0.011mm，實際上為了補償熱處理變形，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)計齒形、設(shè)計齒向的應(yīng)用

　　設(shè)計齒形、設(shè)計齒向采用K形圖實際上是以節(jié)園點為凸點的凸形修形齒，還不能算是最完善的設(shè)計齒形、設(shè)計齒向。根據(jù)我公司一貫運用情況，經(jīng)過A154小批量生產(chǎn)實踐，設(shè)計齒形、設(shè)計齒向經(jīng)過多次局部修改，2017年3月設(shè)計齒形、設(shè)計齒向形成文件，詳見《重型汽車(DF14S 系列)變速器齒輪修形標準》。經(jīng)過近1年的齒形齒向攻關(guān)，目前變速器下線5萬多臺，其噪聲基本控制在比較理想的范圍內(nèi)，合格率達到99%以上，有效解決了工廠長期困擾的難題。通過臺架接觸痕跡試驗，市場返回件接觸痕跡勘察，不斷改進，不斷試驗，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)化計算得到設(shè)計齒形，設(shè)計齒向還不能達到最佳效果，仍需要實踐、摸索、修正。但有一點可以肯定，只要在齒形、齒向上稍下點 功夫，就能得到事半功倍的效果。我希望在我們自己設(shè)計的汽 車變速箱中，更好地使用設(shè)計齒形、設(shè)計齒向，不斷實踐、修改、完善，使我們的產(chǎn)品質(zhì)量更上一層樓，早日打入國際市場。