让齿“有意不一致”以获得安静：图解格里森的 MicroForm（心理声学齿面修形）
整齐过头，反而更吵。用 µm 级的“波动”让它安静下来！
人们通常认为，齿轮精度越高越安静。然而，经磨削精加工的精度越高的锥齿轮，越容易发出“吱——”“嗡——”的刺耳声，有时就是如此。美国齿轮机床制造商格里森（Gleason）的研究人员于 2020 年提出申请、2025 年在日本也获得专利的 MicroForm技术，正是反其道而行之。把齿形逐齿有意改变几 µm，以此打破声音的“尖峰”。据厂商说明，磨削时间不会增加，而且比精加工用的研齿或珩齿更安静。本文用图依次说明：为什么整齐的齿更吵，“使其不一致”的想法如何失败，又是如何解决的（截至 2026 年 10 月）。
为什么磨削过的齿轮会“吱——”地响
齿轮转动时，每有一个齿进入啮合，就会产生小的冲击和转动不均匀（传递误差）。13 齿的小齿轮若每分钟 3,000 转，则每秒 650 次。这种重复就成为啮合频率的声音。
磨削后的齿轮，每个齿的形状几乎相同，分度（齿距）误差也做得极小。于是冲击每次都以完全相同的时刻和强度重复，声音的能量集中在啮合频率及其整数倍上，频率峰变得尖锐。格里森的研究人员也说明，磨削的锥齿轮分度误差很小，但齿进入啮合时冲击的时刻过于整齐，因而往往很吵[1]。
音调性（tonality）：表示声音中特定音高的音（纯音）有多突出的心理声学指标。即使声音大小（分贝、响度）相同，只要有尖峰，人就会觉得“吱——”地刺耳、令人不快。反过来，有些齿轮在测量上显示很吵，人耳却并不在意[2]。
在燃油车上，发动机的声音能掩盖齿轮声，但电动汽车的电机很安静，减速器和差速器的齿轮声就直接听得到。最近，卡车和农业机械制造商也越来越多地要求降低齿轮噪声[1]。
“使其不一致”想法的失败与成功
要打破尖峰，应该把每次相同的冲击变成每次略有不同的冲击。不过，这种做法曾经遭遇过一次大失败。
- 提示风扇与轮胎
汽车的冷却风扇有意把叶片间隔做成不等，轮胎也把花纹间隔错开。这是把一个频率的声音分散到周围的小声音（边频带）中，把刺耳的声音变成平滑的声音的办法[3]。 - 失败有意打乱齿的间隔
为了在齿轮上做同样的事，人们试验了把齿的位置随机错开的齿轮（5 微弧度的间隔误差）。结果，啮合 1 阶的峰反而变大，连低转速的声音也增多了，音调性在所有试验中都没有下降。精度等级下降，质量更难监控，受载时的重合度也下降，影响强度。区别在于，轮胎的车速不变，而齿轮的间隔一旦出现偏差，旋转本身就会时快时慢，这是两者的不同[3]。 - 成功形貌散布（topography scattering）（亚琛工业大学）
德国亚琛工业大学机床实验室（WZL）的 Brecher 教授等人，研究了不改变位置，而是逐齿改变齿面形状（螺旋角、压力角等）的方法。这是第一个真正降低了音调性的方法，在试验车上也被评价为安静[2][4][10]。 - 课题但是，原样不适合量产
逐齿改变螺旋角、压力角，齿厚和分度就会变动，以 11 齿小齿轮为例，齿面边角偏差约 ±10µm，齿距波动约 ±5µm。精度等级下降数级，而且每个齿的接触方式不同，载荷还可能集中在边角。此外每个齿槽都需要一组机床设定，所以数据处理和测量后的修正也是 11 倍[4]。 - 解决MicroForm（格里森）
不动齿的位置和齿厚，只叠加中心为 0 的正弦波形，且幅度逐齿不同的方法。下一节详细介绍[4][7]。
MicroForm 的原理：两步修形
按齿号决定修形峰的高度（正还是负、多大）。据说按正态分布（高斯分布）的形状来分配效果最好。为避免首齿与末齿相同，设定成在齿数＋1 处循环一周[5]。
沿着啮合轨迹，修形量按正弦波变化。这是在入口、中心、出口 3 处为 0 的一个周期的波（也试过一次函数和三次函数，正弦波效果最好）[5]。
为什么这样的形状不会降低精度
- 中心始终为 0：齿的分度（齿距）和齿厚，通常在齿面中心点测量。正弦波在中心为 0，所以每个齿的中心点都保持原样。因此既不会产生分度误差，也不会产生齿厚误差[5]。
- 冲击发生处的斜率为 0：轻载时实际接触的，是正弦波从峰到谷之间（齿面的约 50%）。啮合转移到下一个齿的冲击点，正好位于峰、谷的斜率为 0 之处，所以冲击的方式不会比原来更差，只是时刻逐齿不同。如果采用一次函数的修形，这一点处会残留斜率，冲击就会恶化[5]。
- 边角几乎不动：即使正弦波的幅值为 10µm，齿面边角偏差也控制在 0–3µm 以内，约为以往方法的一半。以边角接触的“边缘接触”会导致崩齿，所以这一点很重要[5]。
- 平均与原齿面相同：计算时使全部齿的平均与未修形齿轮的齿面相同[6]。
- 对轴的偏移不敏感：沿啮合轨迹的正弦波，在小齿轮与大齿轮安装稍有偏差时，也不易引起边角接触[5]。
在机床里做了什么
MicroForm 是通过格里森自由成形（Free-Form）式锥齿轮磨齿机、切齿机（Phoenix 系列）的轴运动来实现的。在工件的旋转轴（A 轴）上叠加与滚动位置相应的微小转动，并据此修正 X、Y、Z 轴的位置。改变 A 轴的转动，相当于同时略微改变螺旋角和压力角[5]。
- 机床设定和加工程序不变：逐齿的修形由 MicroForm 软件在加工的同时计算。只需打开开关，磨削时间不会增加[6][1]。
- 来自测量的闭环修正也照常进行：因为不必为每个齿槽分别持有设定，根据测量机结果修正机床设定的闭环修正也只需一组[6]。
- 小端侧与大端侧可以改变波长和高度：例如小端侧用长波（频率 0.8 倍），大端侧用短波（1.2 倍）[6]。
- 只能用于展成法加工的齿轮：大齿轮和小齿轮都用展成法加工，则两者都用；大齿轮用成形法（Formate）加工，则只用于小齿轮[5]。
量产中发现的陷阱：测量网格的中心正弦波的 0 点（滚动中心）与三坐标测量机的网格中心，实际上往往有少许偏差，开始量产后，测量报告上分度误差看起来增大了。于是在中心周围设置了不施加修形的停留区间（滚动角 0–4°）。据说加入停留区间后，音调性进一步下降[6]。
能安静多少
第三方研究：形貌散布使音调性降低 20–30%
MicroForm 本身的数据只有厂商的发表，但“逐齿改变齿面可降低音调性”这一思路已在大学的研究中得到验证。在亚琛工业大学 WZL 与戴姆勒、克林贝格（Klingelnberg）合作的研究中，对磨削的锥齿轮（乘用车后桥），逐齿改变了鼓形修整、压力角、螺旋角等（最大 2µm·0.02° 的随机散布，以及最大 10µm·0.10° 的正态分布散布）。结果如下[10]。
同一研究中，啮合 2–8 阶的峰也大幅下降，另一方面，比啮合 1 阶低的阶次的声音增加了，同时研究中还写明，对齿轮强度和效率的影响尚未研究。研究认为齿面种类有 2–4 种就足够了[10]。
厂商的报告：多家车桥工厂已量产
格里森报告称，MicroForm已在许多汽车车桥工厂用于量产，音调性下降，分度误差很小，也没有记录到因边缘接触造成的故障。在对单面啮合检测结果做频率分析的示例中，打开 MicroForm 后，除 11 阶外所有啮合阶次的峰都下降了。在把小齿轮位置错开 9 种的试验中，许多阶次也下降了，但也有不下降的组合，这种情况下据说可通过改变 MicroForm 的输入值来调整[6]。
发明者说明，它比用精珩、抛光、研齿精加工的齿轮更安静，且每件成本与普通磨削相同[1]。不过这只是厂商自己的评价，本次调查中没有找到第三方对 MicroForm 本身的比较试验。
与以往的降噪方法比较
| 方法 | 安静程度 | 成本、时间 | 精度（分度、齿厚） | 注意点 |
|---|---|---|---|---|
| 进一步提高精度＋精珩、抛光、研齿 | 变安静 | 工序增加，成本约 2 倍（格里森的说明） | 好 | 即使提高精度，过于整齐的冲击仍然存在 |
| 有意打乱齿的间隔 | 没有降低 | — | 等级下降 | 重合度下降，影响强度 |
| 形貌散布（逐齿改变螺旋角、压力角） | 音调性降低 20–30%（WZL） | 每个齿槽都需要设定，数据、修正成倍增加（齿数倍） | 有时会下降数级 | 边角偏差 ±5–10µm，有边角接触的风险 |
| MicroForm | 比研齿等更安静（厂商的说明） | 磨削时间、成本不变（同上） | 中心为 0，所以不变 | 仅限展成法加工的齿轮。数字为厂商的评价 |
来源：格里森的技术书[3][4][6]、Gear Technology 的访谈[1]、WZL 等的研究[10]。
在现场有什么用
- 成为除“声音不好就把精度再提高一级”“精加工再加上研齿”之外的选择
- 每个齿形状不同，不是不良品，而是设计如此。请事先告知查看齿廓、齿向测量结果的人，这是 MicroForm 产品
- 如果分度误差看起来增大，就要怀疑正弦波的 0 点与测量网格中心存在偏差（用停留区间应对）
- 评价声音时，不仅看声压（dB），也看音调性，就能看出效果
- 比啮合 1 阶低的阶次的声音可能增加，所以要确认是否与车辆或机械的共振重合
- 有效的是展成法加工的锥齿轮、准双曲面齿轮（差速器、车桥）。圆柱齿轮仍处于研究阶段
正在向圆柱齿轮扩展
WZL 于 2025 年发表了在圆柱齿轮的连续展成磨削（蜗杆砂轮）中逐齿施加不同鼓形修整的方法。这是一种把逐齿的形状做进 1 根蜗杆砂轮、再用修整齿轮复现的设计方法，据说可以在不降低展成磨削速度的情况下实现散布。不过，加工试验的验证尚待进行[11]。如果也能用于电动汽车减速器中常见的圆柱齿轮，影响将会相当大。
注意专利MicroForm 的思路已在欧洲（EP 4208307 B1）、日本（专利第7753346号）、中国等获得专利，美国正在申请中[7][8][9]。如果在自家的机床或软件上进行“逐齿改变正弦波修形”的加工，请确认权利范围。
常见问题
- 每个齿形状不同，精度等级不会下降吗？
- MicroForm 不改变测量分度和齿厚的中心点，所以据称分度误差和齿厚的等级不会下降。齿面边角偏差也只有 0–3µm 左右[5]。不过齿廓、齿向的测量图每个齿看起来都不同，所以检验标准如何确定，需要与委托方商定。
- 改变的量有多大？
- 技术书的示例中，正弦波的幅值为 10µm。WZL 的研究试验了最大 2µm 或 10µm 的散布[5][10]。这是肉眼看不见、手也摸不出的 µm 级的世界。
- 与研齿有什么不同？
- 研齿是把大齿轮和小齿轮配对，用研磨剂对研，使接触趋于磨合的精加工。MicroForm 在磨削阶段，就按计算把齿面形状做出差异。优点据说是不必成对精加工，磨削时间也不增加[1]。
- 也能用于圆柱齿轮（直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮）吗？
- MicroForm 是面向锥齿轮、准双曲面齿轮的技术。在圆柱齿轮的展成磨削中施加类似散布的方法，目前只到 2025 年亚琛工业大学发表设计方法的阶段[11]。
- 声音会全部变小吗？
- 不会。目标不是声音的大小，而是减少刺耳的“尖锐感”（音调性）。在 WZL 的试验中，响度（声音大小的感觉）也几乎没有变化[10]。
关于齿轮的基础（模数、压力角、精度等级），见 齿轮学习；关于磨削、珩齿等加工方法，见 齿轮的加工方法；关于精度等级和误差项目，见 齿轮的计算与标准一文中。
参考资料
- Gear Technology《Prof. Dr. Hermann Stadtfeld Marks 70th Patent with MicroForm Innovation》（2025 年 11/12 月号，2025-11-06）
- Gleason《Gear Technology Solutions》第 16 章 Psychoacoustic Flank Form Modulations with MicroForm：16.1 背景；16.2 耳朵的工作原理（p.205–206）
- 同上 16.4 其他领域的噪声对策；16.5 打乱间隔的方法（p.209–211）
- 同上 16.6 形貌散布；16.7 实用中的障碍；16.8 MicroForm（p.212–214）
- 同上 16.9–16.12 两步修形与机床的轴运动（p.215–222）
- 同上 16.13–16.16 幅值与频率的更改；停留区间；实际结果；总结（p.223–227）
- 欧洲专利申请 EP 4208307 A1《Psychoacoustic gear tooth flank form modification》（The Gleason Works，2023-07-12 公开，B1 于 2024-06-12）
- 日本专利第7753346号《心理声学齿面形状的修正》（The Gleason Works，2025-10-14 发行，Google Patents）
- 美国专利申请公开 US 2023/0278121 A1（2023-09-07，Google Patents）
- M. Kasten, C. Brecher, C. Löpenhaus（RWTH Aachen University WZL）等《Reduction of the tonality of gear noise by application of topography scattering for ground bevel gears》Gear Solutions（2021-05-15）
- A. Mann, C. Westphal, C. Brecher（RWTH Aachen University WZL）《Targeted Micro Geometry Scattering in Generating Grinding for Gear Noise Optimization》VDI（2025-07-29）
- 德国研究联合会（DFG）GEPRIS 项目 384949278（汽车用锥齿轮的形貌散布，2017–2022）
