變速器作為重卡汽車傳動系統的核心部件，對汽車動力性能有著重要影響。變速箱齒輪齒面點蝕、齒面膠合、齒面磨損、斷齒等失效會直接影響整個變速器的工作狀態。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，調整齒向載荷分布，減小齒面彎曲、扭轉變形。螺旋角修形也稱為斜度修形，能夠有效改善齒輪嚙合時的偏載現象。改變螺旋角大小，會使齒面實際位置與理論位置發生偏離。螺旋角修形主要方式有對稱修形、平行修形和完全不對稱修形等。
試驗發現，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、齒根滑動磨損與線性點蝕等現象。針對齒輪偏載問題，范輝利用 ADAMS 和 Romax Designer 對輪邊減速機中的齒輪進行了修形仿真，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;王振博等結合齒廓修形和螺旋線修形，提出了神經網絡聯合正交試驗方法，有效降低了因軸偏角造成的齒面局部應力。此外，梅亞研究了齒輪修形對自動變速器(Automatic Transmission, AT)的齒輪嚙合狀態及系統傳動效率的影響;王建等通過改變網格劃分，分析斜齒輪齒面接觸斑分布，證實了仿真結果的有效性。
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 擋變速箱為研究對象，進行了數值仿真計算及接觸斑試驗、噪聲試驗和疲勞試驗驗證。提出的方法能夠有效改善齒面接觸狀況，減緩齒輪失效發生，延長齒輪使用壽命，從而優化齒輪性能，為重卡變速器可靠性的提升提供了一定的理論和試驗參考。
一、螺旋角修形優化設計
螺旋角修形計算
齒輪修形斜度與螺旋角修形量的關系如圖 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修形斜度計算：
螺旋角修形正負規定：?x 為正時，表示修形后螺旋角增加;?x 為負時，表示修形后螺旋角減小。
齒部參數調整推導公式，根據螺旋角修形前與修形后齒輪基節相等，可得
式中，Pbt1 為修形前齒輪基節;Pbt2 為修形后齒輪基節。
根據基節與模數壓力角的關系得到
式中，mn 為齒輪模數;mt1 為螺旋角修形前的端面模數;αn1 為螺旋角修形前的法面壓力角;αt1 為螺旋角修形前的端面壓力角;β1 為修形前的理論螺旋角;mt2 為螺旋角修形后的端面模數;αn2 為螺旋角修形后的法面壓力角;αt2 為螺旋角修形后的端面壓力角;β2 為修形后的螺旋角。
聯立式(4)-式(6)，得到
螺旋角修形方向
調整螺旋角大小，使螺旋角修形后的齒輪接觸斑處于理想狀態，如圖 2 所示，此時齒輪無偏載現象，運行平穩。一對齒輪副修形只需修正一個齒輪的螺旋角，若主動齒輪增大螺旋角，則從動齒輪減小螺旋角;若主動齒輪減小螺旋角，則從動齒輪增大螺旋角。
結合理論計算及有限元仿真分析，得到了理想齒輪副嚙合接觸狀態的螺旋角修形方向：當主(或從)動輪左旋時，若接觸斑偏左側，則應減小螺旋角;若接觸斑偏右側，則應增大螺旋角。當主(或從)動輪右旋時，與之相反，接觸斑偏左側時應增大螺旋角;接觸斑偏右側時應減小螺旋角。如圖 3 主(或從)動齒輪接觸斑偏向一側時螺旋角修形方向所示。
螺旋角修形優化
螺旋角修形優化的流程有以下幾個步驟：
1)確定齒面未進行螺旋角修形的接觸狀態;
2)確定螺旋角修形量，修正齒輪參數;
3)試驗測試修形后齒輪性能。
若螺旋角修形后的試驗測試不滿足要求，需要重新優化，直至滿足要求。螺旋角修形設計流程如圖 4 所示。
二、接觸斑仿真分析與試驗測試
接觸斑仿真分析
以重卡12 擋變速箱處于 1 擋位時的副箱驅動齒輪副為研究對象，對其主動輪進行螺旋角修形，使用 ROMA 軟件對齒輪副進行有限元仿真分析。變速箱齒輪原始參數如表 1 所示，給定螺旋角修形參數，修形斜度?x=-30 μm，通過第 1 節推導的公式進行計算，可得修形后的齒輪參數如表 2 所示。
圖 5 為未修形齒輪接觸應力云圖，齒輪副存在明顯偏載現象，應力分布集中在齒面一端。圖 6 為修形后的齒輪接觸應力云圖，采用上文所述修形方法，該齒輪副接觸斑居中，偏載現象得以改善，應力分布均勻，避免了邊緣接觸，防止了齒輪快速點蝕現象的出現。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
在進行接觸斑試驗時，分別選擇修形斜度為10、20、30、40 μm，并調整螺旋角修形量。圖 7 和圖 8 為修形前后齒輪接觸斑，其中齒輪 1 為主動輪，齒輪 2 與齒輪 3 為結構相同的從動輪，螺旋角修形前，齒輪副存在嚴重的向右偏載現象，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，與仿真結果一致。試驗結果表明，螺旋角修形后接觸斑居中分布，接觸面積增大，接觸應力降低，接觸狀況有所改善。
噪聲試驗
在主動輪齒輪 1 修形前后，通過采集修形前后不同擋位的噪音數據，進行重卡變速箱加載噪聲試驗，結果如圖 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準允許范圍內。
疲勞試驗
對上述修形后的主動齒輪 1、從動輪 2 和從動輪 3 進行疲勞試驗。圖 10 和圖 11 分別為變速箱副箱齒輪在進行 20 個循環和 50 個循環下的疲勞試驗結果。主動齒輪 1 與從動輪 2、從動輪 3 沒有點蝕現象;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基本吻合，但接觸斑面積大于疲勞試驗的嚙合痕跡，滿足疲勞試驗要求。
目前，本文的螺旋角修形方法已經應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，主要結論如下：
1)當主動輪或從動輪右(左)旋時，若接觸斑偏左側，則應增大(減小)螺旋角，使齒輪副接近理想接觸狀態;反之，則應減小(增大)螺旋角。
2)未修形的齒輪副存在嚴重偏載現象，應力分布集中在齒面一端，需進行螺旋角修形，改善齒輪接觸狀態。
3)試驗測試可得，修形后接觸斑左移且居中分布，齒面無點蝕現象，偏載得到明顯改善，與仿真結果一致。接觸斑面積大于疲勞試驗的嚙合痕跡，滿足疲勞試驗要求。修形前后齒輪噪聲無明顯變化，螺旋角修形對噪聲影響較小。
綜上所述，對于偏載嚴重的齒輪，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。
參考文獻略.