汽车齿轮制造技术及研究方向

水边秀

齿轮制造技术现状

随着汽车制造业的发展，齿轮行业通过大量引进高端设备使加工能力有了长足的进步与国际先进水平已相当接近。国产齿轮加工机床已基本形成了较完整的系列已开发出技术含量具有国际水准的螺旋锥齿轮六轴数控磨床，但齿轮机床总体制造水平在精度、寿命、稳定性、数控技术应用等方面与欧美相比存在较大差距目前国内齿轮加工行业的精加工特别是数控齿轮机床仍然以进口设备为主。如德国普发特公司、瑞士莱斯豪尔公司的圆柱齿轮滚齿、磨齿机等，美国格里森公司、德国克林贝格公司（含原瑞士奥利康）的螺旋锥齿轮铣齿、磨齿、研齿机以及齿轮测量中心在国内仍居显著的优势地位。

齿轮加工要根据不同结构及精度需要采用不同的工艺。鉴于设备投资大，工艺方式的选择（如表1）通常都充分考虑已有资源。齿轮加工过程中的微小变形及工艺稳定性控制相对复杂，毛坯锻造后大多要采用等温正火，以期获得良好的加工性能和趋势性变形的均匀金相组织：对于精度要求不高的低速圆柱齿轮可以热前剃齿而热后不再加工：圆柱齿轮热后加工根据条件有琦齿和磨齿不同方式的选择，晰齿成本低但齿形修正能力弱，磨齿精度高但成本高：修缘和鼓形齿修形工艺能够显著降低齿轮啮合噪声和提高传动性能，目前被广泛采用。直齿锥齿轮主要用于差速器由于速度低精度要求相对较低，目前推荐采用精锻齿轮。螺旋锥齿轮加工计算和机床调整，以往非常复杂和耗时的手工操作已被现代专用软件和计算机程序所取代，有限元分析的引入使工艺参数设计更为可靠和便捷：螺旋锥齿轮热后加工主要有研齿和磨齿两种，由于磨齿的成本高、效率低且有局限性而目前大多采用研齿，研齿几何上的修正能力很弱，因此螺旋锥齿轮的从动齿轮多采用渗碳压淬工艺。齿轮材料及其热处理技术发展是齿轮加工中对变形控制具有挑战性的课题。


齿轮加工中测量技术的同步发展对齿轮制造水平的提高同等重要。传统的几何测量与综合测量方法由于三坐标技术的发展以至齿轮测量中心的出现而在测量精度、效率、范围等方面得到极大改善。齿廓空间形面测量成为现实（如图1）使螺旋锥齿轮计算、加工、测量、反馈调整可在数控系统中实现数据闭环。


重要的技术研究方向

1.数值分析技术

作为几何描述的渐开线、摆线等基干啮合原理或共扼特性的理论研究起于18世纪初，将其转化为现实即世界上出现第一台齿轮加工机床距今也有近百年历程。发展至今虽然切齿原理并未产生本质变化，但在应用工程领域无论是圆柱齿轮还是螺旋锥齿轮其制造能力都取得了长足进步主要表现在加工机床、检测手段、计算分析技术等方面，其核心推动力是计算机数字技术的快速发展。因此，齿轮进入实际加工前，充分考虑制造因素影响的数值分析（CAE）技术的研究和应用成为重要课题。

数值分析技术是个比较大的概念，借助不同的专业软件可进行结构强度、运动学、动力学、工艺成形等分析。有效的分析可以获得如下效果。

a.延伸和提升设计方法和思路。通过分析对强度、寿命的预测可使单纯的几何设计转变为可靠性设汁；加速由二维CAD转变为三维实本进而实现数值模型设计。

b.最大限度地降低试制、试验成本，缩短开发周期。通过分析提高试制、试验“一次成功率”。

C.生产时获得可靠的齿轮结构数据和正确的工艺调整数据。通过验证使分析数据模型得到预期性能目标的优化以指导生产，另一方面生产过程中针对市场进行齿轮结构的适应性更改时通过数值分析做可行性判定。

齿轮数值分析的有效性需通过试验进行规律性验证，以判断其置信度水平是否满足实际要求否则将不具实用意义。数值分析的有效性取决于计算数学模型的准确性、几何实体模型的精确程度、各种可知边界条件输入数据的正确与否。计算数学模型依赖于合适的软件，目前有LS-DYNA（非线性）、NASTRAN（线性）、ABAQUS（非线性）、FEMFET（疲劳）、ADAMS（多刚体）、ANS丫S（非线性）等不同用途的较多可行选择：圆柱齿轮易于获得几何实体数值模型，对于螺旋锥齿轮的齿廓曲面以往很难获得精确的实际模型，现在已能够实现（如图2）：对于各种可知边界条件中，材料PSN曲线、热处理状态、摩擦因数等主要性能数据可通过试验测试获得，而对于润滑、温度、相对滑移速度等一些重要数据的获得尚需开展深入研究。


可以预测，实现齿轮数值分析技术的成熟应用不会期待很久。

2.预调修正技术

齿轮作为汽车产品零件由于其工况条件具有复杂性和不确定性，不能简单地凭借精度及，图纸符合程度来评判其优劣，满足产品要求同时又具有最优性价比才是期望得到的齿轮。齿轮制造工艺过程中的工序本身并不复杂，重要的是满足设计师的思想而不仅仅是图纸。因此在齿轮制造过程中引入具有目的性要求的预调修正方法十分必要。

预调修正的目的是最大程度地利用已有条件制造出适合不同产品性能要求的齿轮，目前其方法如下。

（1）热处理变形的预调修正

基本原理是对于新产品、材料 （批次）、工艺等变动时在批量切齿前做小量试切并检查热后变形状态和规律，按预先给定的热后检查标准调整热前切齿参数加以补偿，直至满足要求为止，在螺旋锥齿轮生产中已普遍采用。该修正方法目前大多以接触区的形状、大小、位置变化的趋势性来确定调整量，存在的主要问题是试切样件小、变形规律性不强时调整效果不好。目前有条件的企业可以利用齿轮测量中心实测齿面三维数据来调整效果会有较大改善（如图3）。


（2）结构和装配误差的预调修正

齿轮被装配到产品总成中由于结构布局、系统刚度、承载状态的不同以及进一步考虑装配误差等因素应采取齿轮加工的预调修正，该技术国内应用尚少。例如，商用车变速器一轴柱齿轮由于悬臂安装结构，传动过程中啮合齿面齿向正确位置会发生偏移，可在加工时进行螺旋角修正；对于装配误差较大且无有效控制措施的后桥减速器准双曲面齿轮可以采用通过V/H检验的方法来确定切齿预调修正，进而对接触区的敏感性进行控制。

（3）噪声和寿命的预调修正

齿轮副啮合噪声和寿命不仅与材料和使用条件有关，也与制造过程中加工精度、表面质量导致的传动误差密切相关。通过传动误差测量和分析技术对噪声和寿命进行预测，进一步优化切齿参数来进行预调修正。该技术尚未进入控制生产的实用阶段。

（4）工况载荷的预调修正

国内已充分关注这一方面目前尚未形成规范的方法。对于重载荷齿轮，由于总成支撑刚性往往由于结构限制相对较弱，在实际满载或超载工况下产生齿轮错位（偏离正确啮合位置）在所难免。如对于重型车后桥的准双曲面齿轮副，借助于专业软件 （如Romax的Design和Gleason的CAGE）可以将模拟系统加载的错位量转化为切齿调整参数进行修正。

3.微观修形技术

汽车齿轮传动追求的技术目标是低噪声和高寿命。作为商品的齿轮，则应具有满足用户和法规要求的最优性价比。可见，汽车齿轮技术的发展要在精度、质量（性能、寿命）与成本的矛盾平衡中寻求空间。因此，齿轮微观形貌及其修形技术的研究十分重要。

（1）修形技术深入研究的条件

齿轮修形是微量加工技术，一方面要求有微量加工的条件，即加工设备要有一定的精度和实现运动的能力：另一方面又要有精确的测量分析方法和手段。目前，国内很多齿轮生产企业都已具备开展深入研究的条件。

（2）修形技术应用现状和问题

国内齿轮行业采用修形技术的依据大体来自两个方面，一是自身经验二是引进国外产品技术转化的要求，对于不同齿轮和加工条件采用的方式有所区别。

齿形修形分为齿顶修形（俗称修缘）和齿根修形、沉切，致力于解决齿顶和齿根啮合干涉问题：解决滚刀、剃齿刀、弧齿铣刀的设计和砂轮修整。齿向修形主要控制承载接触区位置及其扩展状态和补偿温升导致螺旋角变化等，根据不同目的和条件可采用两端修形、全齿向折线修形、鼓形齿修形等方式，由剃齿机、磨齿机以及螺旋锥齿轮铣齿机（刀倾）调整完成。存在的主要问题是，修形方法的合理性验证需要研究以及修形参数的试验依据不充分，需要建立可行的标准和规范并不断完善。

（3）齿轮微观修形意义

在机械零件中，齿轮相对复杂而制造成本高，追求高精度来保证高性能的做法带来的直接后果是高成本既不科学也不合理。齿轮修形方法的研究基本依托于剃齿、铣齿、磨齿等主要工序设备的功能扩充，可称为“寄生工艺”，不需要大的工艺成本投入，通过针对性修形改善齿轮的使用性能，一方面尽可能地发挥齿轮本身的潜在能力，另一方面可合理选择齿轮生产的控制精度，降低工艺成本。深入研究该方面的应用技术对于提高齿轮性价比的意义显而易见。

结束语

现代齿轮制造技术又是一个涉及多学科交叉混叠的综合性技、术，只有在整车使用中显示出优良性能和生命周期.内体现出的高性价比才是产品追求的最终目标。因此运用技术发展过程中形成的各种手段和有利条件来系统地研究齿轮结构及其制造方法，开展以上3方面课题的深入研究工作完善和建立齿轮制造工艺系统控制方法和科学可靠的试验数据库才最具意义。