汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路徑分析

王彥婷

摘要：變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對汽車整體性能的優(yōu)劣有著顯著的影響，包括經(jīng)濟(jì)性、平穩(wěn)性、舒適性等。目前，雖然自動化變速器技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，但傳統(tǒng)手動機(jī)械式變速器因其所具有的結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)仍舊占據(jù)著很大的市場份額。本文將對汽車機(jī)械式變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行探討研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式變速器;優(yōu)化設(shè)計(jì);現(xiàn)狀

0 ?引言

近些年來，我國汽車工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中所占的比重越來越大，帶動了機(jī)械、化工、石油、冶金等一系列相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及居民收入水平的提高，汽車產(chǎn)銷量也呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢。變速器作為汽車的主要部件，其選用需要考慮成本、經(jīng)濟(jì)性、客戶需求等多方面的因素，雖然自動變速器是未來行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，但手工機(jī)械式變速器仍舊存在應(yīng)用價(jià)值，對其優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討對行業(yè)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?汽車變速器以及機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)概述

作為汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)部件，變速器的主要作用包括以下幾點(diǎn)：其一，改變汽車的傳動比，增大汽車轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速范圍，從而更好的適應(yīng)不同的工況，使汽車始終保持著最佳的動力性和經(jīng)濟(jì)性。其二，對動力輸出方向進(jìn)行改變，控制汽車前進(jìn)或是倒退。其三，中斷動力輸出，使汽車在啟動和怠速等狀態(tài)下靈活切換。

就目前來看，汽車變速器主要可以分為兩大類，分別是手動變速器和自動變速器。

手動變速器即是指手動機(jī)械式變速器，主要是通過駕駛員操作擋桿的方式對其內(nèi)部傳動力的齒輪副進(jìn)行自主調(diào)整，達(dá)到換擋的目的。這種變速器的應(yīng)用時(shí)間較長，因此制造工藝更為成熟，傳動效率高、平穩(wěn)性強(qiáng)。目前，機(jī)械式變速器仍舊是大部分汽車都在使用的變速器，屬于有級變速器的范疇，其不同的擋位均具有固定的變速比。雖然機(jī)械式變速器操作起來較為麻煩，但是其擁有其他變速器所不具備的獨(dú)特功能，具體包括以下內(nèi)容：其一，采用機(jī)械式變速器可以將發(fā)動機(jī)的潛能充分激發(fā)出來，產(chǎn)生更強(qiáng)大的動力，使汽車可以單純的憑借發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)爬坡，因此非常適合一些對牽引力要求較高的重型貨車或是大型客車。其二，機(jī)械變速器可以為駕駛員帶來更加肆意、自由、奔放的駕駛體驗(yàn)，使其獲得滿足感，這對汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有促進(jìn)作用。其三，機(jī)械式變速器有助于提高駕駛技能，操作機(jī)械式變速器十分考驗(yàn)駕駛員的實(shí)際操作能力。因此現(xiàn)今我國駕校的練習(xí)車采用的就是機(jī)械式變速器，目的是鍛煉學(xué)員的基本功和協(xié)調(diào)能力。

自動變速器的種類更多，具體可以分為機(jī)械式自動變速器、液力自動變速器、無級變速器、雙離合器式自動變速器、電驅(qū)動自動變速器等五種。其中機(jī)械式變速器是將電子控制系統(tǒng)與手動機(jī)械式變速器的技術(shù)和優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合而形成的，具有自動化控制換擋的功能。這種變速器兼具手動機(jī)械式變速器和自動變速器的優(yōu)點(diǎn)，具有傳動效率高、制造成本低的特點(diǎn)，但容易在換擋的過程中出現(xiàn)頓挫，影響舒適性。液力自動變速器是通過液壓對行星齒輪變速系統(tǒng)進(jìn)行控制，優(yōu)點(diǎn)是可以在低速時(shí)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，性能更加平穩(wěn)，缺點(diǎn)是加速偏慢。無級變速器是由主動輪組、從動輪組和金屬帶等部件構(gòu)成，可以支持傳動比的連續(xù)變化，特點(diǎn)是體積小、重量輕、耗油低。不足之處在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對控制系統(tǒng)要求較高。雙離合器式自動變速器包含有兩個(gè)離合器以及配套輸入軸，其特點(diǎn)是在換擋時(shí)可以維持動力的無間斷輸出。電驅(qū)動自動變速器是電動汽車和混合動力汽車所采用的變速器種類，是通過電機(jī)對待嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使齒輪轉(zhuǎn)速達(dá)到同步，繼而借助自動換擋操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋操作。

2 ?機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和現(xiàn)狀介紹

2.1 機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

首先，機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的過程中必須確保其動力滿足實(shí)際需求，結(jié)合汽車工業(yè)生產(chǎn)狀況來看，機(jī)械式變速器多用于卡車、商用車等車型，它們對發(fā)動機(jī)的牽引力有著較高的要求。其次，考慮到機(jī)械式變速器的操作較為復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)中還需注重協(xié)調(diào)性和安全性，確保駕駛員在駕駛過程中能夠有效的控制。再次，機(jī)械式變速器汽車對性價(jià)比以及安全穩(wěn)定性的要求較高，目的是降低駕駛員的開車強(qiáng)度，這也是變速器設(shè)計(jì)過程中需要考慮的問題。

2.2 機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀分析

就當(dāng)前來看，在我國汽車生產(chǎn)過程中自動變速器技術(shù)的應(yīng)用占比已經(jīng)高達(dá)70%，因?yàn)槠渥詣幼兯俚奶攸c(diǎn)符合了大多數(shù)人對操作簡便的需求，但是這類變速器卻存在傳動效率低、零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，使得維護(hù)和保養(yǎng)的難度大幅度增加。而CVT變速技術(shù)的出現(xiàn)則為汽車變速器設(shè)計(jì)打開了一條全新的路徑，提高汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。在主、從輪組和傳動帶的相互配合之下，實(shí)現(xiàn)了可變直徑的傳遞動力作用，可以支持連續(xù)時(shí)間內(nèi)的傳動比調(diào)整，提高了變速器和發(fā)動機(jī)的配合度。

3 ?汽車機(jī)械式變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，汽車制造領(lǐng)域引入了現(xiàn)代化技術(shù)方法體系對其不同零部件系統(tǒng)和機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)車性能的大幅度加強(qiáng)。在具體實(shí)施的過程中，主要是針對汽車性能及零部件結(jié)構(gòu)的相關(guān)情況，從實(shí)用性和舒適性的角度進(jìn)行精密的數(shù)字化計(jì)算，以此實(shí)現(xiàn)性能強(qiáng)化。針對機(jī)械式變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣需要引入現(xiàn)代化技術(shù)方法，在確保其性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，盡可能的降低其質(zhì)量，并提高其可靠性。

3.1 汽車機(jī)械式變速器涉及到的齒輪參數(shù)

其一，對齒輪參數(shù)進(jìn)行確定。

在機(jī)械變速器設(shè)計(jì)過程中，首先需要確定中心距和初選模數(shù)。一般來講，中心距越大，機(jī)械式變速器的重量也就越大。而齒輪的強(qiáng)度則與其模數(shù)大小相關(guān)，在實(shí)際工作中通常是遵循既有的公式確定初選模數(shù)，包括壓力角、齒寬。其中壓力角的大小影響著齒輪的接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，齒角越大，其所承擔(dān)的負(fù)載也就越高，相應(yīng)的其承載力必然受到影響。在確定齒數(shù)時(shí)，需要對變位系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用螺旋角的斜齒輪可以達(dá)到增大齒輪重合力度的效果，不僅可以降低噪聲，還可以提高強(qiáng)度。想要提高齒輪的承載力，可以對其失效的深層原因進(jìn)行分析，繼而針對性的對變位系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

其二，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)齒輪的尺寸和強(qiáng)度。

齒輪計(jì)算涉及到的參數(shù)過多，最好的方法就是結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，需要使用到的參數(shù)包括變位系數(shù)、節(jié)圓直徑、基圓直徑、分度圓直徑等，在計(jì)算過程中，必須盡可能的確保所有參數(shù)的精確度，否則會對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確率產(chǎn)生負(fù)面影響。對齒輪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算是機(jī)械式變速器齒輪有效性的一個(gè)重要方法，針對比較常見的齒輪故障或是損壞現(xiàn)象，如齒輪點(diǎn)蝕、齒輪折斷以及齒輪膠合等，必須確保齒輪面具備抗點(diǎn)蝕的能力，這是保障齒輪正常工作的基本前提。此外，在汽車動力傳遞的過程中，必須確保齒輪處于懸臂狀態(tài)，如此就需要在強(qiáng)化齒輪可靠性的基礎(chǔ)上遵循輕量化設(shè)計(jì)理念，提高機(jī)械式變速器的可靠性。

3.2 汽車機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)模型

目前，輕量化設(shè)計(jì)是汽車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的主要方式，其優(yōu)勢在于提高汽車的可靠性。而在具體設(shè)計(jì)中，為了平衡機(jī)械式變速器輕量化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)存在的矛盾，需要對這兩方面因素進(jìn)行深入分析，理清二者的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上做出權(quán)衡。在汽車運(yùn)行的過程中，駕駛員換擋時(shí)其變速器的轉(zhuǎn)動比會發(fā)生改變，變速器齒輪系統(tǒng)體積縮小是輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)?；诖耍梢詫C(jī)械式變速器齒輪體積之和最小作為輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，建立其于齒輪寬度、分度圓直徑的函數(shù)模型。齒輪傳動所采用的漸開線圓柱齒輪，當(dāng)其處于相互嚙合狀態(tài)時(shí)，其兩個(gè)齒輪的分度圓模數(shù)和壓力角會保持一致，而倒擋齒輪和一檔齒輪二者間取相同值的模數(shù)和螺旋角，而倒擋齒輪的體積取決于倒擋傳動比。因此在完成前進(jìn)擋位齒輪設(shè)計(jì)之后，首先可以基于倒擋轉(zhuǎn)動比去計(jì)算倒擋齒輪的其他參數(shù)。之后，基于變速器擋位傳動比之間存在的關(guān)系，轉(zhuǎn)化出包含相關(guān)基本參數(shù)的函數(shù)。最后基于具體的約束條件對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)汽車變速器系統(tǒng)體積的縮小，同時(shí)滿足輕量化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的要求。

3.3 約束條件的確定

在汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注的約束條件有二：

其一，變速器最大傳動比約束。汽車傳動系統(tǒng)的最大傳動比有著多項(xiàng)約束條件，如汽車附著力、最低穩(wěn)定車速、最大爬坡度等，此外在路面行駛的條件下還需保障驅(qū)動輪不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

其二，中心距約束條件。根據(jù)前文內(nèi)容可知，中心距大小影響著變速器的質(zhì)量，自然也影響著其最終體積，對其進(jìn)行約束是為了滿足輕量化設(shè)計(jì)的要求。具體來講，在汽車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在確保設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到要求的前提下，最大限度的降低中心距的值，此時(shí)變速器最大傳動比的值需最大，并保障發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。

3.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次研究依托的是多目標(biāo)函數(shù)方法進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)目標(biāo)的問題，進(jìn)而采用常用的線性加權(quán)和法的決策方法進(jìn)行求解，通過統(tǒng)一目標(biāo)法和線性加權(quán)法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，最終形成評價(jià)函數(shù)。其中統(tǒng)一目標(biāo)法具體操作是為每個(gè)目標(biāo)預(yù)先設(shè)定一個(gè)期望值，之后基于系統(tǒng)約束條件，獲取與該期望值最相近的解。線性加權(quán)法則是基于不同目標(biāo)的重要性為其賦予相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，之后對其線性組合進(jìn)行尋優(yōu)，最后完成多目標(biāo)規(guī)劃問題的求解。在評價(jià)函數(shù)確定后，將個(gè)單元最優(yōu)化值的倒數(shù)作為權(quán)系數(shù)。為了最大程度的確保優(yōu)化的精度，可以借助計(jì)算機(jī)編程、VB編程語言或是多重循環(huán)的方法解決局部解和離散變量的問題。在獲得優(yōu)化后的桉樹之后，應(yīng)將其與優(yōu)化設(shè)計(jì)前的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬等進(jìn)行比對，驗(yàn)證機(jī)械式變速器齒輪系統(tǒng)體積是否變小、可靠性是否提高，為機(jī)械變速器系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和決策支撐。

4 ?結(jié)語

綜上所述，汽車所采用的變速器性能直接影響著其綜合性能，本文針對機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，追求輕量化設(shè)計(jì)，提高汽車運(yùn)行的可靠性，降低操作難度?；谘芯績?nèi)容，在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格遵循優(yōu)化程序，建構(gòu)機(jī)械式變速器基礎(chǔ)優(yōu)化模型，基于各個(gè)約束條件提高機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的合理性。

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