隨著汽車逐漸走入千家萬戶，其性能也經受著重重考驗，各種售后問題的不斷出現，拉低了整車的品牌形象和銷量。其中變速器的頓挫感及齒輪的磨合異響問題長期穩居汽車故障排名的前十。
變速器作為汽車的核心零部件，備受整車企業的重視，其中的齒輪嚙合裝配工藝是重中之重，是常年困擾著企業的瓶頸工藝。在常規裝配工藝中，不論是壓力裝配還是螺栓裝配，都有廣泛應用的壓機和擰緊槍可供選擇，無論應用于手動還是自動工位，生產線的設計都有很大的自主性，如圖 1 所示。
但齒輪嚙合裝配工藝難點的攻克是個老大難問題，現有的設備方案及工藝路線都是基于國外整車企業的高端產品來實現的，不僅價格昂貴，更在話語權上受到國外供應商的技術壓制。
高端設備的國產化一直是個重大課題，而國產化是無法一蹴而就的，只有長期的技術積累和大膽創新才能真正將創新的設計理念落地實施。
背靠 SGM 公司的智能化研發平臺，工程師吃透嚙合裝配的工藝技術，在充分的理論研討和試驗驗證后，從降成本的角度出發，復刻嚙合壓裝設備并實現量產，走出了國產化的第一步。
一、傳統齒輪嚙合裝配工位
齒輪副的種類簡介
齒輪副是變速器的基本組成部分，通常由多個齒輪組成，將軸向旋轉力從一個齒輪軸傳遞到另一個齒輪軸。齒輪間通過齒的嚙合為2個軸的旋轉建立關系，不同尺寸和齒數的齒輪使各個軸以不同的速度旋轉，這就是變速器的基本工作原理。
齒輪副連接的種類多種多樣，除了普通的正齒輪、平行軸齒輪外，還有復雜的馬刺齒輪和螺旋齒輪。隨著變速器性能和效率的提升，設計也日益復雜。斜齒輪以其體積小、重量輕、傳遞扭矩大、起動平穩及傳動比分級精細等特點脫穎而出，成為了變速器最常用的齒輪副。
斜齒輪的齒與旋轉軸成一定角度，與正齒輪的上下筆直不同，相互嚙合的斜齒的彎曲度也始終保持一致，如圖2所示。
斜齒嚙合比正齒嚙合更復雜，斜齒嚙合時，由于一個齒輪上的齒面與相鄰齒輪的齒面不完全接觸，齒會逐漸相互滑動。若兩個斜齒輪安裝在平行軸之間，嚙合產生的軸向推力就會推動齒輪沿其旋轉軸轉動。
傳統嚙合裝配工藝
嚙合裝配由于齒輪的特殊性，壓機需要尋找齒口，然后壓入，整個過程必須控制扭矩、角度和壓力，對設備的穩定性和精度要求極高，這使得整體設備不僅設計復雜，維護困難，更是造價不菲。
不少整車企業選擇了人工安裝，這需要熟練工以工裝定位齒輪副，再手持工具來進行安裝，這樣的工藝對操作工的要求十分高，節拍更是冗長。在安裝完成后，還需要流轉到下一工位用百分表等儀器測量跳動誤差、齒間間隙等，費時費力，單這個人工安裝工位就能成為整條生產線的瓶頸節拍工位。這樣的方案顯然不適合高產能、快節拍的生產線，如圖3所示。
自動化生產線舍棄了人工安裝的工藝，工程師們設計專機夾具，配合伺服壓機，整體由PLC進行控制。這樣的壓裝可以應用于正齒輪副的嚙合，直上直下的運動軌跡不需要壓機有其他的動作，只要找準齒口空隙，同時監控壓力和位移，就能完成整個嚙合裝配過程。
但對于斜齒輪，普通壓機顯然無法滿足工藝需求，由于斜齒嚙合時產生的軸向推力作用，斜齒副的平行軸會進行反向旋轉，此時壓機必須跟隨轉動，否則就會被卡死在齒間，造成裝配失敗。為了實現壓裝過程中的旋轉，在壓機頂端增加旋轉電機和法蘭連接機構，可初步實現旋轉壓裝的功能，如圖4所示。
然而現實問題很快隨之而來。“齒輪裝配工位高達 20% 的故障率逼得我們恨不得住在設備邊上!”這是車間經理的抱怨。
的確，這樣組合的旋轉機構雖然能跟隨位移下降，帶著壓機進行相應的轉動，但缺點也十分明顯，旋轉動作與壓機向下的運動是相互獨立運行的，無法實現閉環反饋和動態配合。
壓機在尋齒初期需要施加一個小的預載壓力，這會導致嚙合的初始階段有 1−2 s 的振蕩。在旋入過程中，由于斜齒輪受力不均勻，使壓機的速度難以把握，一旦沖得過快就會頂住齒面。
因此，尋齒和旋入過程都處于失控狀態，導致整個設備的故障率居高不下，而且齒面的磕碰更有可能導致整個變速器的報廢，這對企業而言是極大的損失，如圖 5 所示。
旋轉伺服壓機方案和智能機器人方案
針對斜齒輪副嚙合裝配應用，國外整車企業開發了專用的旋轉伺服壓機，即在原有直上直下的普通壓機內部集成旋轉伺服電機，將這個伺服電機的參數契合入壓機的控制系統中，實現了旋轉壓裝的動態實時監控。
以 Promess UFRM 系列旋轉伺服壓機為例，其將線性運動與旋轉運動集成，可以精準地控制旋轉的角度和扭矩。壓機本體的位移和壓力也能根據旋轉扭矩和角度的反饋值實時變化，以此來靈活地實現旋轉壓裝功能，如圖 6 所示。
國內外許多整車企業應用這個系列壓機的效果明顯。高度集成化的旋轉伺服壓機將旋轉與壓入結合，能完成極其精準的壓裝任務，降低了故障率，也提高了裝配質量。
然而旋轉伺服壓機卻是同品牌普通壓機價格的兩倍，涉及的備件成本和維修費用也相應提高了許多。
有些整車企業采用先進的協作型機器人來實現斜齒輪裝配，如 YuMi、KUKA iiwa、CRX 系列。他們擁有精密的力傳感器和更智能的算法，能滿足工藝的需求，但也帶來了較高的技術門檻和實施成本，如圖 7 所示。
二、低成本實現斜齒嚙合裝配
斜齒嚙合裝配的理論基礎分析
齒輪副間有效嚙合的重要參數，如齒隙、接觸模式和軸承預載等，都與嚙合產生的軸向轉動速度息息相關。
斜齒的接觸模式決定了齒面無法完全貼合，壓力作用在同一齒面的3個方向(徑向、切向和軸向)上，不均勻的受力面積使得轉動裝配時扭矩值的測定變得不可靠，齒輪的法向應力和法向變形也會失控，如圖8所示。
齒側間隙也會直接影響裝配精度和穩定性，齒隙的存在讓嚙合過程中的轉動出現空程范圍，其間積累的動能會產生振蕩，這種振蕩嚴重干擾了角度和扭矩的監控值，使得整個裝配過程處于失控狀態，最終造成齒面的磕碰和損壞。在極端情況下，齒輪會因擠壓力而變形，從而產生失控的接觸模式和NVH結果，如圖9所示。
所以，裝配過程中保持軸的平行度至關重要，齒輪副必須可靠固定于軸承，確保軸承能承受轉動載荷，即便出現松動，也是在可控范圍內。微調齒側間隙，調整中心距可以補償齒厚誤差與中心距誤差引起的常值齒隙。
旋轉伺服壓機的降本方案
分析國外的集成式旋轉伺服壓機，發現其關鍵點在于旋轉電機與壓機本體的高度集成化，控制器中對于旋轉和上下動作的扭矩及角度的監控是實時且高精度的。
旋轉壓裝的過程分為兩步。
第一步是尋齒：壓機帶著一個齒輪下降，在兩齒即將接觸的過程中采用慢速，并監控壓力，一旦尋齒未能完成，在齒與齒接觸的瞬間，壓力會超過 0. 5 N，此時壓機迅速抬起，避免進一步磕碰，同時旋轉電機立即轉動0. 3 °，再度下移。重復此過程，直至下降超過目標位移且壓力小于0. 3 N，則認為找到了最近的齒口，尋齒完成，斜齒輪副已經對上。
第二步是旋入：斜齒輪副對上后，壓機順勢向下位移，齒面互相擠壓產生推力，2個斜齒輪軸開始轉動，壓機緊緊跟隨。此時頂端的旋轉電機也在實時監控扭矩值，確保在轉動過程中扭矩是平穩的，沒有高峰和低谷，直至斜齒輪副完全旋入貼合。
根據嚙合壓裝的原理，設想出2種方案。
第1種方案是在普通壓機的基礎上，在其頂端增加一臺伺服旋轉電機，在壓頭與齒輪軸的結合處增加扭矩/角度傳感器，理論上可以實現集成式旋轉伺服壓機的功能，如圖10所示。
在試驗室中，采用 Siemens S120 系列伺服電機、Omega扭矩/角度傳感器和Promess普通壓機進行集成。經過多次試驗和調試后發現，扭矩傳感器數據傳回PLC至少需要50 ms，PLC發送指令給壓機，也至少需要50 ms，再加上PLC自己的處理時間，整個系統的反應時間接近200 ms，這樣的反應速度無法滿足精密度要求如此高的嚙合工藝，畢竟這是 3 個不同的設備，來源于 3 個不同的廠家，數據之間的交互困難重重。因此排除方案1。
第2種方案則拋開旋轉伺服電機和扭矩/角度傳感器，在現有的標準產品中尋找可行的替代元器件，即擰緊軸。
變速器的生產線上本就擁有許多擰緊軸，以 Bosch Rexroth擰緊軸為例，其自帶伺服旋轉功能和扭矩傳感器，自身就擁有較高的集成度。
Promess 傳統伺服壓機承擔壓裝工作，Bosch Rexroth 的 350 系列擰緊軸作為旋轉機構，集成于壓機頂端，結合成一個整體，這樣的組合非常適用于旋轉壓裝工藝。而且方案 2 中 Bosch Rexroth 擰緊軸和 Promess 壓機的信號交互反應時間縮短至 100 ms以內，經過試驗室的反復驗證可知，滿足嚙合壓裝的工藝需求。
將這套全新的斜齒嚙合裝配系統稱為T-Press 壓裝系統，如圖11所示。
T-Press壓裝系統的電氣與機械設計
基于Siemens PLC的自控系統，以Profinet總線聯通系統內的各種驅動元器件和I/O模塊，以Eth?ernet 網絡接收上位機指令和傳遞壓裝數據，整體的網絡架構如圖12所示。
夾具的設計有效地限制了齒輪副的軸向運動和側向振動，也把變速器從托盤上整體隔離出來，由4點定位銷固定，確保在受到壓力情況下整體穩定，旋轉伺服電機的轉速保持在2 r/min，壓機壓裝速度為 1 mm/s，扭矩限值為 5 N·m，整體壓裝效果又快又穩，如圖13所示。
低成本T-Press壓裝系統的實踐效果
在 SGM 企業創新文化的鼓舞下，工程師們大膽構想、勇于實踐，從早期的試驗室抓取扭矩數據和壓裝曲線進行論證，到后期的實體樣件壓裝驗證，T-Press壓裝系統得到了實踐認可，最終在SGM 武漢工廠的某量產變速器生產線上得以落地實施。
成本的有效降低：
新T-Press壓裝系統采用擰緊軸和普通壓機進行組合的方案，比國內外企業常用的集成旋轉伺服壓機和協作型機器人的成本降低 50% 以上，如圖14所示。
制造成本的降低和設計的自主化意味著維修費用和備件成本的降低，這些都降低了變速器生產線的項目成本。常用的擰緊軸和伺服電機都不是稀缺貨，即便在芯片短缺期間，也可以用其他品牌替代使用，靈活性大大增強，更能縮短貨期，提高整車企業在設備制造和工藝設計方面的話語權。
嚙合裝配的壓裝曲線研究：
T-Press壓裝系統中的壓裝曲線和旋轉扭矩曲線是可以全程監控的，可以通過以往的曲線數據疊加分析，及時發現整個壓裝環節的缺陷，并對工藝及設備參數進行優化，如圖15所示。
合格的壓裝曲線會一直處于監控窗口內部，不合格的壓裝曲線通常會有尖突和斷崖，通過各個特征點和監控結果判斷其壓力和扭矩的缺陷點，就能在批量生產過程中優化收緊參數，提高嚙合壓裝的效率。
Bosch Rexroth 擰緊軸也可以輸出旋轉扭矩與角度的關系曲線，其本質是伺服電機和扭矩傳感器的數據，由此可以觀察并分析整個嚙合裝配過程的曲線數據，如圖16所示。
斜齒嚙合的拆卸自動化：
拉拔器是拆卸變速器齒輪副的一種常用工具，鉗口式拉拔器可用于齒輪箱零件周圍的任何地方，通過機械或液壓作用將零件拉開。但這種工具僅適合手工操作，生產線上也只能用于有限的返工區域。
只需在 T-Press 壓裝系統的壓頭上增加鉗口，反向旋轉拔出，就可以快速地拆卸齒輪副，并監控拆卸過程中的扭矩、角度、拉力曲線及數據。由此可見，自主化設計的T-Press 壓裝系統具有很強的可塑性，且功能升級的費用也十分低廉。
三、結論與展望
在智能制造的大環境中，人們普遍提問：既然國外壓機品牌已經生產出旋轉伺服壓機，能滿足現有的工藝需求，我們為什么還要研發其他的替代方案呢?
降低成本對規模化生產的意義
以更低的成本做出更好的產品，一直是制造業的核心訴求。制造理念的差異最終會演變成產業集群的差異，成本這個因素在規模化生產中是重頭戲，在同樣的產能和質量下，低成本意味著產品利潤更高，價格更低，產業更容易復制。
靈活集成是國產化的必經之路
在新常態的經濟形勢下，智能制造的發展必然回歸到穩扎穩打的局面中來，能否落地實施將成為創新是否成功的重要指標。
T-Press 壓裝系統的落地實施有效降低了成本，提高了生產效率，其下一步國產化的方向將著力于普通壓機本體和擰緊軸，直至整個系統完全自主設計制造。
相信在不遠的將來，靈活集成不同元器件的案例會更多，更多的企業會應用這種實用的創新方法，在智能制造中邁上新的臺階。
參考文獻略.