随着汽车逐渐走入千家万户，其性能也经受着重重考验，各种售后问题的不断出现，拉低了整车的品牌形象和销量。其中变速器的顿挫感及齿轮的磨合异响问题长期稳居汽车故障排名的前十。
变速器作为汽车的核心零部件，备受整车企业的重视，其中的齿轮啮合装配工艺是重中之重，是常年困扰着企业的瓶颈工艺。在常规装配工艺中，不论是压力装配还是螺栓装配，都有广泛应用的压机和拧紧枪可供选择，无论应用于手动还是自动工位，生产线的设计都有很大的自主性，如图 1 所示。
但齿轮啮合装配工艺难点的攻克是个老大难问题，现有的设备方案及工艺路线都是基于国外整车企业的高端产品来实现的，不仅价格昂贵，更在话语权上受到国外供应商的技术压制。
高端设备的国产化一直是个重大课题，而国产化是无法一蹴而就的，只有长期的技术积累和大胆创新才能真正将创新的设计理念落地实施。
背靠 SGM 公司的智能化研发平台，工程师吃透啮合装配的工艺技术，在充分的理论研讨和试验验证后，从降成本的角度出发，复刻啮合压装设备并实现量产，走出了国产化的第一步。
一、传统齿轮啮合装配工位
齿轮副的种类简介
齿轮副是变速器的基本组成部分，通常由多个齿轮组成，将轴向旋转力从一个齿轮轴传递到另一个齿轮轴。齿轮间通过齿的啮合为2个轴的旋转建立关系，不同尺寸和齿数的齿轮使各个轴以不同的速度旋转，这就是变速器的基本工作原理。
齿轮副连接的种类多种多样，除了普通的正齿轮、平行轴齿轮外，还有复杂的马刺齿轮和螺旋齿轮。随着变速器性能和效率的提升，设计也日益复杂。斜齿轮以其体积小、重量轻、传递扭矩大、起动平稳及传动比分级精细等特点脱颖而出，成为了变速器最常用的齿轮副。
斜齿轮的齿与旋转轴成一定角度，与正齿轮的上下笔直不同，相互啮合的斜齿的弯曲度也始终保持一致，如图2所示。
斜齿啮合比正齿啮合更复杂，斜齿啮合时，由于一个齿轮上的齿面与相邻齿轮的齿面不完全接触，齿会逐渐相互滑动。若两个斜齿轮安装在平行轴之间，啮合产生的轴向推力就会推动齿轮沿其旋转轴转动。
传统啮合装配工艺
啮合装配由于齿轮的特殊性，压机需要寻找齿口，然后压入，整个过程必须控制扭矩、角度和压力，对设备的稳定性和精度要求极高，这使得整体设备不仅设计复杂，维护困难，更是造价不菲。
不少整车企业选择了人工安装，这需要熟练工以工装定位齿轮副，再手持工具来进行安装，这样的工艺对操作工的要求十分高，节拍更是冗长。在安装完成后，还需要流转到下一工位用百分表等仪器测量跳动误差、齿间间隙等，费时费力，单这个人工安装工位就能成为整条生产线的瓶颈节拍工位。这样的方案显然不适合高产能、快节拍的生产线，如图3所示。
自动化生产线舍弃了人工安装的工艺，工程师们设计专机夹具，配合伺服压机，整体由PLC进行控制。这样的压装可以应用于正齿轮副的啮合，直上直下的运动轨迹不需要压机有其他的动作，只要找准齿口空隙，同时监控压力和位移，就能完成整个啮合装配过程。
但对于斜齿轮，普通压机显然无法满足工艺需求，由于斜齿啮合时产生的轴向推力作用，斜齿副的平行轴会进行反向旋转，此时压机必须跟随转动，否则就会被卡死在齿间，造成装配失败。为了实现压装过程中的旋转，在压机顶端增加旋转电机和法兰连接机构，可初步实现旋转压装的功能，如图4所示。
然而现实问题很快随之而来。“齿轮装配工位高达 20% 的故障率逼得我们恨不得住在设备边上!”这是车间经理的抱怨。
的确，这样组合的旋转机构虽然能跟随位移下降，带着压机进行相应的转动，但缺点也十分明显，旋转动作与压机向下的运动是相互独立运行的，无法实现闭环反馈和动态配合。
压机在寻齿初期需要施加一个小的预载压力，这会导致啮合的初始阶段有 1−2 s 的振荡。在旋入过程中，由于斜齿轮受力不均匀，使压机的速度难以把握，一旦冲得过快就会顶住齿面。
因此，寻齿和旋入过程都处于失控状态，导致整个设备的故障率居高不下，而且齿面的磕碰更有可能导致整个变速器的报废，这对企业而言是极大的损失，如图 5 所示。
旋转伺服压机方案和智能机器人方案
针对斜齿轮副啮合装配应用，国外整车企业开发了专用的旋转伺服压机，即在原有直上直下的普通压机内部集成旋转伺服电机，将这个伺服电机的参数契合入压机的控制系统中，实现了旋转压装的动态实时监控。
以 Promess UFRM 系列旋转伺服压机为例，其将线性运动与旋转运动集成，可以精准地控制旋转的角度和扭矩。压机本体的位移和压力也能根据旋转扭矩和角度的反馈值实时变化，以此来灵活地实现旋转压装功能，如图 6 所示。
国内外许多整车企业应用这个系列压机的效果明显。高度集成化的旋转伺服压机将旋转与压入结合，能完成极其精准的压装任务，降低了故障率，也提高了装配质量。
然而旋转伺服压机却是同品牌普通压机价格的两倍，涉及的备件成本和维修费用也相应提高了许多。
有些整车企业采用先进的协作型机器人来实现斜齿轮装配，如 YuMi、KUKA iiwa、CRX 系列。他们拥有精密的力传感器和更智能的算法，能满足工艺的需求，但也带来了较高的技术门槛和实施成本，如图 7 所示。
二、低成本实现斜齿啮合装配
斜齿啮合装配的理论基础分析
齿轮副间有效啮合的重要参数，如齿隙、接触模式和轴承预载等，都与啮合产生的轴向转动速度息息相关。
斜齿的接触模式决定了齿面无法完全贴合，压力作用在同一齿面的3个方向(径向、切向和轴向)上，不均匀的受力面积使得转动装配时扭矩值的测定变得不可靠，齿轮的法向应力和法向变形也会失控，如图8所示。
齿侧间隙也会直接影响装配精度和稳定性，齿隙的存在让啮合过程中的转动出现空程范围，其间积累的动能会产生振荡，这种振荡严重干扰了角度和扭矩的监控值，使得整个装配过程处于失控状态，最终造成齿面的磕碰和损坏。在极端情况下，齿轮会因挤压力而变形，从而产生失控的接触模式和NVH结果，如图9所示。
所以，装配过程中保持轴的平行度至关重要，齿轮副必须可靠固定于轴承，确保轴承能承受转动载荷，即便出现松动，也是在可控范围内。微调齿侧间隙，调整中心距可以补偿齿厚误差与中心距误差引起的常值齿隙。
旋转伺服压机的降本方案
分析国外的集成式旋转伺服压机，发现其关键点在于旋转电机与压机本体的高度集成化，控制器中对于旋转和上下动作的扭矩及角度的监控是实时且高精度的。
旋转压装的过程分为两步。
第一步是寻齿：压机带着一个齿轮下降，在两齿即将接触的过程中采用慢速，并监控压力，一旦寻齿未能完成，在齿与齿接触的瞬间，压力会超过 0. 5 N，此时压机迅速抬起，避免进一步磕碰，同时旋转电机立即转动0. 3 °，再度下移。重复此过程，直至下降超过目标位移且压力小于0. 3 N，则认为找到了最近的齿口，寻齿完成，斜齿轮副已经对上。
第二步是旋入：斜齿轮副对上后，压机顺势向下位移，齿面互相挤压产生推力，2个斜齿轮轴开始转动，压机紧紧跟随。此时顶端的旋转电机也在实时监控扭矩值，确保在转动过程中扭矩是平稳的，没有高峰和低谷，直至斜齿轮副完全旋入贴合。
根据啮合压装的原理，设想出2种方案。
第1种方案是在普通压机的基础上，在其顶端增加一台伺服旋转电机，在压头与齿轮轴的结合处增加扭矩/角度传感器，理论上可以实现集成式旋转伺服压机的功能，如图10所示。
在试验室中，采用 Siemens S120 系列伺服电机、Omega扭矩/角度传感器和Promess普通压机进行集成。经过多次试验和调试后发现，扭矩传感器数据传回PLC至少需要50 ms，PLC发送指令给压机，也至少需要50 ms，再加上PLC自己的处理时间，整个系统的反应时间接近200 ms，这样的反应速度无法满足精密度要求如此高的啮合工艺，毕竟这是 3 个不同的设备，来源于 3 个不同的厂家，数据之间的交互困难重重。因此排除方案1。
第2种方案则抛开旋转伺服电机和扭矩/角度传感器，在现有的标准产品中寻找可行的替代元器件，即拧紧轴。
变速器的生产线上本就拥有许多拧紧轴，以 Bosch Rexroth拧紧轴为例，其自带伺服旋转功能和扭矩传感器，自身就拥有较高的集成度。
Promess 传统伺服压机承担压装工作，Bosch Rexroth 的 350 系列拧紧轴作为旋转机构，集成于压机顶端，结合成一个整体，这样的组合非常适用于旋转压装工艺。而且方案 2 中 Bosch Rexroth 拧紧轴和 Promess 压机的信号交互反应时间缩短至 100 ms以内，经过试验室的反复验证可知，满足啮合压装的工艺需求。
将这套全新的斜齿啮合装配系统称为T-Press 压装系统，如图11所示。
T-Press压装系统的电气与机械设计
基于Siemens PLC的自控系统，以Profinet总线联通系统内的各种驱动元器件和I/O模块，以Eth⁃ernet 网络接收上位机指令和传递压装数据，整体的网络架构如图12所示。
夹具的设计有效地限制了齿轮副的轴向运动和侧向振动，也把变速器从托盘上整体隔离出来，由4点定位销固定，确保在受到压力情况下整体稳定，旋转伺服电机的转速保持在2 r/min，压机压装速度为 1 mm/s，扭矩限值为 5 N·m，整体压装效果又快又稳，如图13所示。
低成本T-Press压装系统的实践效果
在 SGM 企业创新文化的鼓舞下，工程师们大胆构想、勇于实践，从早期的试验室抓取扭矩数据和压装曲线进行论证，到后期的实体样件压装验证，T-Press压装系统得到了实践认可，最终在SGM 武汉工厂的某量产变速器生产线上得以落地实施。
成本的有效降低：
新T-Press压装系统采用拧紧轴和普通压机进行组合的方案，比国内外企业常用的集成旋转伺服压机和协作型机器人的成本降低 50% 以上，如图14所示。
制造成本的降低和设计的自主化意味着维修费用和备件成本的降低，这些都降低了变速器生产线的项目成本。常用的拧紧轴和伺服电机都不是稀缺货，即便在芯片短缺期间，也可以用其他品牌替代使用，灵活性大大增强，更能缩短货期，提高整车企业在设备制造和工艺设计方面的话语权。
啮合装配的压装曲线研究：
T-Press压装系统中的压装曲线和旋转扭矩曲线是可以全程监控的，可以通过以往的曲线数据叠加分析，及时发现整个压装环节的缺陷，并对工艺及设备参数进行优化，如图15所示。
合格的压装曲线会一直处于监控窗口内部，不合格的压装曲线通常会有尖突和断崖，通过各个特征点和监控结果判断其压力和扭矩的缺陷点，就能在批量生产过程中优化收紧参数，提高啮合压装的效率。
Bosch Rexroth 拧紧轴也可以输出旋转扭矩与角度的关系曲线，其本质是伺服电机和扭矩传感器的数据，由此可以观察并分析整个啮合装配过程的曲线数据，如图16所示。
斜齿啮合的拆卸自动化：
拉拔器是拆卸变速器齿轮副的一种常用工具，钳口式拉拔器可用于齿轮箱零件周围的任何地方，通过机械或液压作用将零件拉开。但这种工具仅适合手工操作，生产线上也只能用于有限的返工区域。
只需在 T-Press 压装系统的压头上增加钳口，反向旋转拔出，就可以快速地拆卸齿轮副，并监控拆卸过程中的扭矩、角度、拉力曲线及数据。由此可见，自主化设计的T-Press 压装系统具有很强的可塑性，且功能升级的费用也十分低廉。
三、结论与展望
在智能制造的大环境中，人们普遍提问：既然国外压机品牌已经生产出旋转伺服压机，能满足现有的工艺需求，我们为什么还要研发其他的替代方案呢?
降低成本对规模化生产的意义
以更低的成本做出更好的产品，一直是制造业的核心诉求。制造理念的差异最终会演变成产业集群的差异，成本这个因素在规模化生产中是重头戏，在同样的产能和质量下，低成本意味着产品利润更高，价格更低，产业更容易复制。
灵活集成是国产化的必经之路
在新常态的经济形势下，智能制造的发展必然回归到稳扎稳打的局面中来，能否落地实施将成为创新是否成功的重要指标。
T-Press 压装系统的落地实施有效降低了成本，提高了生产效率，其下一步国产化的方向将着力于普通压机本体和拧紧轴，直至整个系统完全自主设计制造。
相信在不远的将来，灵活集成不同元器件的案例会更多，更多的企业会应用这种实用的创新方法，在智能制造中迈上新的台阶。
参考文献略.