变速器作为重卡汽车传动系统的核心部件，对汽车动力性能有着重要影响。变速箱齿轮齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、断齿等失效会直接影响整个变速器的工作状态。因此，需采用合理的齿轮修形方法，提高齿轮可靠性，满足正常工作需求。
齿轮修形包括齿廓修形和齿向修形。齿廓修形是改变齿廓形状，消除齿对在啮入、啮出位置的几何干涉。齿向修形是修正螺旋角和轴向齿形，调整齿向载荷分布，减小齿面弯曲、扭转变形。螺旋角修形也称为斜度修形，能够有效改善齿轮啮合时的偏载现象。改变螺旋角大小，会使齿面实际位置与理论位置发生偏离。螺旋角修形主要方式有对称修形、平行修形和完全不对称修形等。
试验发现，大部分变速箱齿轮接触斑并不完美，存在接触偏载、齿轮齿顶干涉磨损、齿根滑动磨损与线性点蚀等现象。针对齿轮偏载问题，范辉利用 ADAMS 和 Romax Designer 对轮边减速机中的齿轮进行了修形仿真，改善了输入端齿轮偏载情况;赵广洋利用 Romax 对齿轮研究了齿廓修形与齿向鼓形，采用综合修形法，改善了齿面载荷分布;王振博等结合齿廓修形和螺旋线修形，提出了神经网络联合正交试验方法，有效降低了因轴偏角造成的齿面局部应力。此外，梅亚研究了齿轮修形对自动变速器(Automatic Transmission, AT)的齿轮啮合状态及系统传动效率的影响;王建等通过改变网格划分，分析斜齿轮齿面接触斑分布，证实了仿真结果的有效性。
为了解决重卡变速器齿面偏载问题，本文基于螺旋角修形斜度，提出了变速箱齿轮螺旋角修形方法，以重卡 12 挡变速箱为研究对象，进行了数值仿真计算及接触斑试验、噪声试验和疲劳试验验证。提出的方法能够有效改善齿面接触状况，减缓齿轮失效发生，延长齿轮使用寿命，从而优化齿轮性能，为重卡变速器可靠性的提升提供了一定的理论和试验参考。
一、螺旋角修形优化设计
螺旋角修形计算
齿轮修形斜度与螺旋角修形量的关系如图 1 所示，图中：
式中，β 为理论螺旋角;∆β 为螺旋角修形量;∆x为螺旋角锥形斜度;B 为齿轮齿宽。
因此，螺旋角修形量可根据修形斜度计算：
螺旋角修形正负规定：∆x 为正时，表示修形后螺旋角增加;∆x 为负时，表示修形后螺旋角减小。
齿部参数调整推导公式，根据螺旋角修形前与修形后齿轮基节相等，可得
式中，Pbt1 为修形前齿轮基节;Pbt2 为修形后齿轮基节。
根据基节与模数压力角的关系得到
式中，mn 为齿轮模数;mt1 为螺旋角修形前的端面模数;αn1 为螺旋角修形前的法面压力角;αt1 为螺旋角修形前的端面压力角;β1 为修形前的理论螺旋角;mt2 为螺旋角修形后的端面模数;αn2 为螺旋角修形后的法面压力角;αt2 为螺旋角修形后的端面压力角;β2 为修形后的螺旋角。
联立式(4)-式(6)，得到
螺旋角修形方向
调整螺旋角大小，使螺旋角修形后的齿轮接触斑处于理想状态，如图 2 所示，此时齿轮无偏载现象，运行平稳。一对齿轮副修形只需修正一个齿轮的螺旋角，若主动齿轮增大螺旋角，则从动齿轮减小螺旋角;若主动齿轮减小螺旋角，则从动齿轮增大螺旋角。
结合理论计算及有限元仿真分析，得到了理想齿轮副啮合接触状态的螺旋角修形方向：当主(或从)动轮左旋时，若接触斑偏左侧，则应减小螺旋角;若接触斑偏右侧，则应增大螺旋角。当主(或从)动轮右旋时，与之相反，接触斑偏左侧时应增大螺旋角;接触斑偏右侧时应减小螺旋角。如图 3 主(或从)动齿轮接触斑偏向一侧时螺旋角修形方向所示。
螺旋角修形优化
螺旋角修形优化的流程有以下几个步骤：
1)确定齿面未进行螺旋角修形的接触状态;
2)确定螺旋角修形量，修正齿轮参数;
3)试验测试修形后齿轮性能。
若螺旋角修形后的试验测试不满足要求，需要重新优化，直至满足要求。螺旋角修形设计流程如图 4 所示。
二、接触斑仿真分析与试验测试
接触斑仿真分析
以重卡12 挡变速箱处于 1 挡位时的副箱驱动齿轮副为研究对象，对其主动轮进行螺旋角修形，使用 ROMA 软件对齿轮副进行有限元仿真分析。变速箱齿轮原始参数如表 1 所示，给定螺旋角修形参数，修形斜度∆x=-30 μm，通过第 1 节推导的公式进行计算，可得修形后的齿轮参数如表 2 所示。
图 5 为未修形齿轮接触应力云图，齿轮副存在明显偏载现象，应力分布集中在齿面一端。图 6 为修形后的齿轮接触应力云图，采用上文所述修形方法，该齿轮副接触斑居中，偏载现象得以改善，应力分布均匀，避免了边缘接触，防止了齿轮快速点蚀现象的出现。因此，合理的螺旋角修形方法能够明显改善齿面接触状况。
接触斑试验
在进行接触斑试验时，分别选择修形斜度为10、20、30、40 μm，并调整螺旋角修形量。图 7 和图 8 为修形前后齿轮接触斑，其中齿轮 1 为主动轮，齿轮 2 与齿轮 3 为结构相同的从动轮，螺旋角修形前，齿轮副存在严重的向右偏载现象，螺旋角修形后，接触斑向左偏移约 5～10 mm，且接触斑面积相比于未修形的齿轮明显增大，接触情况得到改善，与仿真结果一致。试验结果表明，螺旋角修形后接触斑居中分布，接触面积增大，接触应力降低，接触状况有所改善。
噪声试验
在主动轮齿轮 1 修形前后，通过采集修形前后不同挡位的噪音数据，进行重卡变速箱加载噪声试验，结果如图 9 所示。未修形齿轮噪声曲线与修行后齿轮噪声曲线有所变化，但是基于本文中提到螺旋角修形方法的主要目的是提高变速箱的疲劳寿命，改善接触条件，因此，噪声的变化在变速箱的噪声标准允许范围内。
疲劳试验
对上述修形后的主动齿轮 1、从动轮 2 和从动轮 3 进行疲劳试验。图 10 和图 11 分别为变速箱副箱齿轮在进行 20 个循环和 50 个循环下的疲劳试验结果。主动齿轮 1 与从动轮 2、从动轮 3 没有点蚀现象;从啮合痕迹上看，齿轮的偏载情况明显得到改善，啮合痕迹和接触斑试验基本吻合，但接触斑面积大于疲劳试验的啮合痕迹，满足疲劳试验要求。
目前，本文的螺旋角修形方法已经应用于部分重卡变速箱的箱型，通过售后拆解情况来看，能够明显改善齿面接触偏载。
三、结论
本文提出的变速箱齿轮螺旋角修形方法能够有效改善齿面接触情况，主要结论如下：
1)当主动轮或从动轮右(左)旋时，若接触斑偏左侧，则应增大(减小)螺旋角，使齿轮副接近理想接触状态;反之，则应减小(增大)螺旋角。
2)未修形的齿轮副存在严重偏载现象，应力分布集中在齿面一端，需进行螺旋角修形，改善齿轮接触状态。
3)试验测试可得，修形后接触斑左移且居中分布，齿面无点蚀现象，偏载得到明显改善，与仿真结果一致。接触斑面积大于疲劳试验的啮合痕迹，满足疲劳试验要求。修形前后齿轮噪声无明显变化，螺旋角修形对噪声影响较小。
综上所述，对于偏载严重的齿轮，可以通过所提变速箱齿轮螺旋角修形方法，有效改善齿轮疲劳接触状态。
参考文献略.