摘要：針對(duì)重卡變速器齒輪接觸普遍出現(xiàn)的偏載現(xiàn)象，文章提出了一種變速箱齒輪螺旋角修形方法，通過調(diào)整齒輪螺旋角修形斜度以及改變螺旋角大小，改善齒輪接觸偏載現(xiàn)象。以重卡 12 擋變速箱為研究對(duì)象，利用有限元仿真對(duì)齒輪副進(jìn)行了數(shù)值模擬，并開展了接觸斑試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的齒面接觸應(yīng)力分布均勻，接觸斑居中，噪聲無明顯變化且仍滿足疲勞試驗(yàn)要求，說明變速箱齒輪副的接觸狀況得到有效改善，驗(yàn)證了所提修形方法的可行性。該研究為重卡變速器偏載齒輪修正提供了理論依據(jù)與試驗(yàn)參考。

　　變速器作為重卡汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，對(duì)汽車動(dòng)力性能有著重要影響。變速箱齒輪齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨損、斷齒等失效會(huì)直接影響整個(gè)變速器的工作狀態(tài)。因此，需采用合理的齒輪修形方法，提高齒輪可靠性，滿足正常工作需求。

　　齒輪修形包括齒廓修形和齒向修形。齒廓修形是改變齒廓形狀，消除齒對(duì)在嚙入、嚙出位置的幾何干涉。齒向修形是修正螺旋角和軸向齒形，調(diào)整齒向載荷分布，減小齒面彎曲、扭轉(zhuǎn)變形。螺旋角修形也稱為斜度修形，能夠有效改善齒輪嚙合時(shí)的偏載現(xiàn)象。改變螺旋角大小，會(huì)使齒面實(shí)際位置與理論位置發(fā)生偏離。螺旋角修形主要方式有對(duì)稱修形、平行修形和完全不對(duì)稱修形等。

　　試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大部分變速箱齒輪接觸斑并不完美，存在接觸偏載、齒輪齒頂干涉磨損、齒根滑動(dòng)磨損與線性點(diǎn)蝕等現(xiàn)象。針對(duì)齒輪偏載問題，范輝利用 ADAMS 和 Romax Designer 對(duì)輪邊減速機(jī)中的齒輪進(jìn)行了修形仿真，改善了輸入端齒輪偏載情況;趙廣洋利用 Romax 對(duì)齒輪研究了齒廓修形與齒向鼓形，采用綜合修形法，改善了齒面載荷分布;王振博等結(jié)合齒廓修形和螺旋線修形，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合正交試驗(yàn)方法，有效降低了因軸偏角造成的齒面局部應(yīng)力。此外，梅亞研究了齒輪修形對(duì)自動(dòng)變速器(Automatic Transmission, AT)的齒輪嚙合狀態(tài)及系統(tǒng)傳動(dòng)效率的影響;王建等通過改變網(wǎng)格劃分，分析斜齒輪齒面接觸斑分布，證實(shí)了仿真結(jié)果的有效性。

　　為了解決重卡變速器齒面偏載問題，本文基于螺旋角修形斜度，提出了變速箱齒輪螺旋角修形方法，以重卡 12 擋變速箱為研究對(duì)象，進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算及接觸斑試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。提出的方法能夠有效改善齒面接觸狀況，減緩齒輪失效發(fā)生，延長(zhǎng)齒輪使用壽命，從而優(yōu)化齒輪性能，為重卡變速器可靠性的提升提供了一定的理論和試驗(yàn)參考。

　　一、螺旋角修形優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　螺旋角修形計(jì)算

　　齒輪修形斜度與螺旋角修形量的關(guān)系如圖 1 所示，圖中：

　　式中，β 為理論螺旋角;?β 為螺旋角修形量;?x為螺旋角錐形斜度;B 為齒輪齒寬。

　　因此，螺旋角修形量可根據(jù)修形斜度計(jì)算：

　　螺旋角修形正負(fù)規(guī)定：?x 為正時(shí)，表示修形后螺旋角增加;?x 為負(fù)時(shí)，表示修形后螺旋角減小。

　　齒部參數(shù)調(diào)整推導(dǎo)公式，根據(jù)螺旋角修形前與修形后齒輪基節(jié)相等，可得

　　式中，P_bt1 為修形前齒輪基節(jié);P_bt2 為修形后齒輪基節(jié)。

　　根據(jù)基節(jié)與模數(shù)壓力角的關(guān)系得到

　　式中，m_n 為齒輪模數(shù);m_t1 為螺旋角修形前的端面模數(shù);α_n1 為螺旋角修形前的法面壓力角;α_t1 為螺旋角修形前的端面壓力角;β₁ 為修形前的理論螺旋角;m_t2 為螺旋角修形后的端面模數(shù);α_n2 為螺旋角修形后的法面壓力角;α_t2 為螺旋角修形后的端面壓力角;β₂ 為修形后的螺旋角。

　　聯(lián)立式(4)-式(6)，得到

　　螺旋角修形方向

　　調(diào)整螺旋角大小，使螺旋角修形后的齒輪接觸斑處于理想狀態(tài)，如圖 2 所示，此時(shí)齒輪無偏載現(xiàn)象，運(yùn)行平穩(wěn)。一對(duì)齒輪副修形只需修正一個(gè)齒輪的螺旋角，若主動(dòng)齒輪增大螺旋角，則從動(dòng)齒輪減小螺旋角;若主動(dòng)齒輪減小螺旋角，則從動(dòng)齒輪增大螺旋角。

　　結(jié)合理論計(jì)算及有限元仿真分析，得到了理想齒輪副嚙合接觸狀態(tài)的螺旋角修形方向：當(dāng)主(或從)動(dòng)輪左旋時(shí)，若接觸斑偏左側(cè)，則應(yīng)減小螺旋角;若接觸斑偏右側(cè)，則應(yīng)增大螺旋角。當(dāng)主(或從)動(dòng)輪右旋時(shí)，與之相反，接觸斑偏左側(cè)時(shí)應(yīng)增大螺旋角;接觸斑偏右側(cè)時(shí)應(yīng)減小螺旋角。如圖 3 主(或從)動(dòng)齒輪接觸斑偏向一側(cè)時(shí)螺旋角修形方向所示。

　　螺旋角修形優(yōu)化

　　螺旋角修形優(yōu)化的流程有以下幾個(gè)步驟：

　　1)確定齒面未進(jìn)行螺旋角修形的接觸狀態(tài);

　　2)確定螺旋角修形量，修正齒輪參數(shù);

　　3)試驗(yàn)測(cè)試修形后齒輪性能。

　　若螺旋角修形后的試驗(yàn)測(cè)試不滿足要求，需要重新優(yōu)化，直至滿足要求。螺旋角修形設(shè)計(jì)流程如圖 4 所示。

　　二、接觸斑仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試

　　接觸斑仿真分析

　　以重卡12 擋變速箱處于 1 擋位時(shí)的副箱驅(qū)動(dòng)齒輪副為研究對(duì)象，對(duì)其主動(dòng)輪進(jìn)行螺旋角修形，使用 ROMA 軟件對(duì)齒輪副進(jìn)行有限元仿真分析。變速箱齒輪原始參數(shù)如表 1 所示，給定螺旋角修形參數(shù)，修形斜度?x=-30 μm，通過第 1 節(jié)推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算，可得修形后的齒輪參數(shù)如表 2 所示。

　　圖 5 為未修形齒輪接觸應(yīng)力云圖，齒輪副存在明顯偏載現(xiàn)象，應(yīng)力分布集中在齒面一端。圖 6 為修形后的齒輪接觸應(yīng)力云圖，采用上文所述修形方法，該齒輪副接觸斑居中，偏載現(xiàn)象得以改善，應(yīng)力分布均勻，避免了邊緣接觸，防止了齒輪快速點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，合理的螺旋角修形方法能夠明顯改善齒面接觸狀況。

　　接觸斑試驗(yàn)

　　在進(jìn)行接觸斑試驗(yàn)時(shí)，分別選擇修形斜度為10、20、30、40 μm，并調(diào)整螺旋角修形量。圖 7 和圖 8 為修形前后齒輪接觸斑，其中齒輪 1 為主動(dòng)輪，齒輪 2 與齒輪 3 為結(jié)構(gòu)相同的從動(dòng)輪，螺旋角修形前，齒輪副存在嚴(yán)重的向右偏載現(xiàn)象，螺旋角修形后，接觸斑向左偏移約 5～10 mm，且接觸斑面積相比于未修形的齒輪明顯增大，接觸情況得到改善，與仿真結(jié)果一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋角修形后接觸斑居中分布，接觸面積增大，接觸應(yīng)力降低，接觸狀況有所改善。

　　噪聲試驗(yàn)

　　在主動(dòng)輪齒輪 1 修形前后，通過采集修形前后不同擋位的噪音數(shù)據(jù)，進(jìn)行重卡變速箱加載噪聲試驗(yàn)，結(jié)果如圖 9 所示。未修形齒輪噪聲曲線與修行后齒輪噪聲曲線有所變化，但是基于本文中提到螺旋角修形方法的主要目的是提高變速箱的疲勞壽命，改善接觸條件，因此，噪聲的變化在變速箱的噪聲標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

　　疲勞試驗(yàn)

　　對(duì)上述修形后的主動(dòng)齒輪 1、從動(dòng)輪 2 和從動(dòng)輪 3 進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。圖 10 和圖 11 分別為變速箱副箱齒輪在進(jìn)行 20 個(gè)循環(huán)和 50 個(gè)循環(huán)下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。主動(dòng)齒輪 1 與從動(dòng)輪 2、從動(dòng)輪 3 沒有點(diǎn)蝕現(xiàn)象;從嚙合痕跡上看，齒輪的偏載情況明顯得到改善，嚙合痕跡和接觸斑試驗(yàn)基本吻合，但接觸斑面積大于疲勞試驗(yàn)的嚙合痕跡，滿足疲勞試驗(yàn)要求。

　　目前，本文的螺旋角修形方法已經(jīng)應(yīng)用于部分重卡變速箱的箱型，通過售后拆解情況來看，能夠明顯改善齒面接觸偏載。

　　三、結(jié)論

　　本文提出的變速箱齒輪螺旋角修形方法能夠有效改善齒面接觸情況，主要結(jié)論如下：

　　1)當(dāng)主動(dòng)輪或從動(dòng)輪右(左)旋時(shí)，若接觸斑偏左側(cè)，則應(yīng)增大(減小)螺旋角，使齒輪副接近理想接觸狀態(tài);反之，則應(yīng)減小(增大)螺旋角。

　　2)未修形的齒輪副存在嚴(yán)重偏載現(xiàn)象，應(yīng)力分布集中在齒面一端，需進(jìn)行螺旋角修形，改善齒輪接觸狀態(tài)。

　　3)試驗(yàn)測(cè)試可得，修形后接觸斑左移且居中分布，齒面無點(diǎn)蝕現(xiàn)象，偏載得到明顯改善，與仿真結(jié)果一致。接觸斑面積大于疲勞試驗(yàn)的嚙合痕跡，滿足疲勞試驗(yàn)要求。修形前后齒輪噪聲無明顯變化，螺旋角修形對(duì)噪聲影響較小。

　　綜上所述，對(duì)于偏載嚴(yán)重的齒輪，可以通過所提變速箱齒輪螺旋角修形方法，有效改善齒輪疲勞接觸狀態(tài)。

　　參考文獻(xiàn)略.