針對某型雙級橋等高齒齒輪噪聲高的問題，利用KIMOS 軟件從齒形設計層面對該產品進行了優化，減小了該產品的失配量，降低了產品設計的傳動誤差，同時通過產品的多輪熱試，根據熱試結果反調熱前切齒的理論模型，消除了熱處理變形的影響，穩定了產品的加工制造工藝，為降低噪聲提供了解決方案。

隨著現代載貨汽車技術的發展，對載貨汽車齒輪傳動性能的要求越來越高。在高速重載的條件下，既要保證齒輪傳動的穩定性和可靠性，又要盡可能地控制其振動和噪聲。2018年，某車橋廠就提出了齒輪的品質提升目標：2020年底，車橋齒輪類產品全部達到A 級標準，等高齒齒輪齒輪噪聲≤78 dB。這對從事齒輪技術工作的人來說,既是挑戰也是機遇。

以某型雙級橋等高齒齒輪為例，筆者在現場收集了5 套產品的噪聲數據和傳動誤差的檢測記錄，見表1 與表2。從表中我們可以看出未進行優化前，正車面平均噪聲為90 dB，倒車面平均噪聲為89.8 dB。該噪聲是在空載時，小輪轉速1 300 r/min（車速約50 km/h）的條件下，在配對機上測得。與車橋廠的噪聲測試條件不同：將裝配到整橋上后，在橋殼內加入齒輪油，小輪轉速1 300 r/min（車速約50 km/h）的條件下在橋包外進行噪聲測量。車橋廠測量的結果一般會比表1 中的結果低2 ～3 dB。為方便對比，本文均采用第一種方法進行噪聲測量。

表1 某型雙級橋等高齒齒輪噪聲記錄 （單位：dB）

表2 某型雙級橋等高齒齒輪傳動誤差記錄 （單位：dB）

優化設計思路

圓柱齒輪可以通過熱后的磨齒修形來降低齒輪嚙入和嚙出產生的振動和噪聲，而齒輪因為采用連續分度方法（Face Hobbing）進行加工，無法磨齒，其熱后的精加工工藝只能通過研齒來降低嚙合噪聲。因此，針對等高齒齒輪的修形只能在熱前切齒的過程中進行，利用KIMOS 軟件可以很方便地修改等高齒齒輪的齒面理論模型，配合克林貝格P65 齒輪檢測中心在切齒過程中實現閉環控制，得到完全符合設計要求的半成品齒坯。

因為該產品已大批量制造，齒坯還有大量庫存，因此在不改變齒坯形狀和加工刀具的情況下降低噪聲是最優的解決方案。在KIMOS 軟件中齒形優化設計分為三個部分：第一部分是失配量優化（在KIMOS 軟件中叫Easeoff），如圖1 所示；第二部分是接觸區優化，如圖2 所示；第三部分是傳動誤差優化，如圖3 所示。這三個部分是相互聯動的，它們的變化可以通過5 個參數的調整來實現，這5個參數分別是螺旋角誤差dβ，壓力角誤差dα，齒長方向的鼓形量Lβ，齒高方向的鼓形量Hβ，齒長方向的對角變形dv，如圖4所示。

圖1 失配量Ease-off

圖2 接觸區

圖3 傳動誤差

圖4 齒形優化的5 個參數

其中在降噪優化設計過程中需要重點關注的是齒形的失配量和傳動誤差。

單齒面傳動誤差被定義為所測量的轉動角度與理論計算的轉動角度之間的差值，而理論計算的轉動角度為主動輪所轉過的角度與傳動比的倒數的乘積，如式1 所示。

如果一對齒廓完全共軛，則當它們在嚙合時，被動輪所轉過的角度將與理論計算應轉過的角度完全一致，即傳動誤差為零。如果一對齒輪副存在長度和齒高方向的鼓形，實際嚙合過程中，就會存在周期性傳動誤差，即產生周期性的振動和噪聲，傳動誤差可以采用傅里葉級數進行分析，其原理如圖5 所示。

從圖5 中我們可以看出，傅里葉分析頻譜信號隨階數增加衰減趨勢減弱，實際測量中一般只關注一階和二階傳動誤差。要達到降低齒輪嚙合噪聲的目的，只要降低齒長和齒高方向的鼓形即減小失配量就可以降低傳動誤差。

表3 齒面優化前、后調整參數對比

圖5 傳動誤差分析的原理圖

齒面優化設計

根據以上優化思路，筆者對該產品齒面進行了優化設計。優化前、后的齒面調整參數，如表3 所示。我們可以看出，螺旋角誤差dβ 和壓力角誤差dα 略微做了調整，主要影響接觸區的在齒長方向和齒高方向的位置，而齒長方向的鼓形量Lβ 和齒高方向的鼓形量Hβ 都明顯有了改善。

螺旋角和壓力角及對角變形的變化對齒輪接觸區的影響。從表4 中可以看到，產品正車面螺旋角減小2ˊ40″，接觸區在齒長方向往小端移動，壓力角變小25″，接觸區在齒高方向往齒根移動，齒長方向的對角變形減小26′6″，即接觸區的內對角減小；產品倒車面螺旋角減小38″，接觸區在齒長9 方向往大端移動，壓力角增大1′57″，接觸區在齒高方向往齒頂移動；齒長方向的對角變形增大26′17″，接觸區的內對角減小。

由表5 和表6 可知，鼓形量的改變對齒輪的失配量及傳動誤差的影響。從表4 和表5 中可以看到產品正車面小端齒頂的最大失配量從173 μm 降到了102 μm，大端齒根的最大失配量從233 μm 降到了178 μm，相應的傳動誤差也從101.2 μrad 降到了81.1 μrad。而倒車面大端齒頂的最大失配量從185 μm 降到了122 μm，小端齒根的最大失配量從212 μm 降到了154 μm，相應的傳動誤差也從103.5 μrad 降到了81.8 μrad。

表4 優化前、后接觸區對比

表5 優化前、后失配量對比

因此，經過齒面優化設計之后，理論上產品的嚙合噪聲得到了顯著降低。

實踐驗證

等高齒齒輪產品從鍛坯開始到成品入庫總共分為10 個工序。在整個工藝流程中，我們需要重點關注的是切齒—熱試反調—一批切的過程，其中反調是根據產品熱處理試驗后P65 的檢測結果來調整理論齒面模型以消除熱處理變形的影響。

表6 優化前、后傳動誤差

熱前切齒要求實際齒面坐標與理論齒面盡可能達成一致，通過P65 檢測可以很精確地測量出每個齒面的誤差情況，從而為接觸區設計和修正提供依據。切齒完成后進行熱處理試驗，試驗的目的在于找出齒面熱處理變形的規律，然后通過反調理論齒面模型以預補償熱處理變形，從而消除熱處理變形對設計產生的干擾。批切即按照反調之后的理論齒面模型進行切齒。這樣批切的產品經熱處理之后，其齒面基本能夠與我們初始優化設計時的齒面保持一致，因此，我們可以認為批切的產品是滿足優化設計要求的。

在實際的制造過程中，傳動誤差是不能在熱處理前進行檢測的，因為熱前的齒輪硬度只有170 HB 左右，齒面在嚙合過程中很容易產生劃傷，因此傳動誤差的檢測安排在配對完成后進行。由于傳動誤差、失配與接觸區位置大小是相互關聯的，因此在產品試制時我們只需要控制熱前及熱后接觸區來間接控制產品的嚙合噪聲。

研齒配對過程中檢測的產品噪聲記錄見表7，表8 為研齒后600HTT 檢測機檢測的傳動誤差記錄。從表8 的噪聲檢測結果與表1 的對比中我們可以發現，正轉噪聲經過優化后平均噪聲為81.86 dB，平均反轉噪聲為83.10 dB，兩個面的噪聲降低了7 ～8 dB。從表9 和表2 的對比中可以看到，產品凸面和凹面對應的一階傳動誤差也有了大幅度降低。

表7 優化后試制產品的噪聲記錄（單位：dB）

表8 研齒后傳動誤差檢測記錄（單位：dB）

結束語

通過KIMOS 軟件對產品的失配和傳動誤差進行了優化，并通過產品的試制驗證該優化方案可以大幅降低等高齒螺旋錐齒輪的嚙合噪聲，為我公司等高齒螺旋錐齒輪質量提升給出了解決方案。從結果對比中我們可以看出，產品還有繼續優化提升的空間，但是失配和傳動誤差過小，將導致產品的接觸區對安裝位置過于敏感，降低產品的一次配對合格率，導致成本升高。因此，質量和成本的平衡點需要設計者自己尋找。