汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計

楊俊杰

摘要：在社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展中，人們物質(zhì)生活條件越來越好，在此過程中汽車數(shù)量也隨之增多，同時獲得迅猛發(fā)展的還有各項汽車技術(shù)，作為汽車內(nèi)部不可或缺重要構(gòu)件之一的變速器，其在汽車技術(shù)發(fā)展階段中也形成了機(jī)械式變速器這一產(chǎn)物，這也標(biāo)志著汽車技術(shù)性的改革。要充分發(fā)揮機(jī)械式變速器提升汽車加速穩(wěn)定性的優(yōu)勢，就需要進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械式變速器可靠性設(shè)計。本文筆者就汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計相關(guān)問題展開論述，旨在最大化提升機(jī)械式變速器可靠性，確保汽車整體性能。

關(guān)鍵詞：汽車;機(jī)械式變速器;優(yōu)化設(shè)計

運行中的汽車基于發(fā)動機(jī)的核心作用帶動其內(nèi)部各系統(tǒng)，多系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，保證汽車運行的穩(wěn)定性。變速器在控制汽車行駛速度環(huán)節(jié)中有著至關(guān)重要的作用，通過變速器的協(xié)調(diào)作用來改變汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置，從而調(diào)整汽車速度。所以，一定要注重汽車機(jī)械式變速器設(shè)計內(nèi)容中的可靠性設(shè)計，最大化的滿足汽車行駛過程中的變速需求，實現(xiàn)汽車整體性能優(yōu)化。

1 汽車機(jī)械式變速器及優(yōu)化設(shè)計問題

1.1 機(jī)械式變速器設(shè)計原理

行駛過程中的汽車發(fā)動機(jī)處于大動率運行狀態(tài)，這也意味著發(fā)動機(jī)的運行效率非常高，發(fā)動機(jī)變速器的功用主要有：①改變汽車行駛速度和牽引力;②讓發(fā)動機(jī)在最有利的工況下工作;③改變驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)方向;④實現(xiàn)空擋以及驅(qū)動其他機(jī)構(gòu)。整體而言，變速器有手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手動/自動變速器（A/MT）和無級變速器（CVT）這四種分類，自動變速器中最常用的液力自動變速器，可根據(jù)油門開度與車速變化自動換擋[1]。無級變速器是自動變速器的一種，具有油門反應(yīng)快、油耗低的特點。

機(jī)械式變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個定值（也就是所謂的“級”）。比如， 一檔變速比是3.85，二檔是2.55再到五檔的0.75 ，這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動比，總共只有5個值（即有5級），所以說它是有級變速器。

1.2 機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計問題

車體外形動力設(shè)計與汽車表示外形設(shè)計可以作為汽車機(jī)械式變速器設(shè)計的參考信息，汽車機(jī)械式變速器設(shè)計是以汽車單元系統(tǒng)為核心展開的，起點為汽車動力系統(tǒng)，要確保汽車動力系統(tǒng)能夠合理的提供汽車運行所需動力輸出。汽車行業(yè)在全新的發(fā)展形勢下有以下四個方向，即車體輕量化、車體科技化、汽車低耗能和汽車低排放，在汽車制造中應(yīng)用機(jī)械式變速器的優(yōu)勢體現(xiàn)于其能確保汽車發(fā)動機(jī)功率輸出的平穩(wěn)性、確保汽車變速的安全性以及確保汽車變速的平滑性[2]。機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計工作具有一定復(fù)雜性，期間牽涉的內(nèi)容非常多，設(shè)計人員一定要從整體角度考慮布局合理性。不過由于相關(guān)技術(shù)的限制，此前汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化并不能完全按照既定的技術(shù)進(jìn)行，最終效果始終達(dá)不到設(shè)計理論的要求。

2 汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計

2.1 變速器整體優(yōu)化設(shè)計

可靠性與輕量化是汽車零部件設(shè)計中最為矛盾的兩個關(guān)系，如若能平衡這兩個設(shè)計要求，也算是實現(xiàn)變速器整體優(yōu)化的一個目標(biāo)了。針對汽車機(jī)械式變速器設(shè)計中平衡可靠性與輕量化的問題，關(guān)鍵在于傳動變化和齒輪換擋，尤其是變速器整個齒輪系統(tǒng)的體積對上述兩點有著明顯的影響。因此，變速器設(shè)計中輕量化設(shè)計板塊的目標(biāo)函數(shù)最好選擇變速器齒輪體積的最小值，處于傳動狀態(tài)中的變速器齒輪系統(tǒng)主要為漸開線圓柱齒輪設(shè)計。那么在具體設(shè)計環(huán)節(jié)中，要保證互相嚙合的齒輪擁有一樣的分度圓模數(shù)和分度圓壓力角，同時保證倒擋齒輪與一檔齒輪擁有一樣的螺旋角和模數(shù)[3]。從某種角度來說，倒擋傳動比控制著變速器倒擋齒體積，所以在設(shè)計過程中，結(jié)束前進(jìn)擋齒輪設(shè)計后就要圍繞倒擋傳動比計算其他作用參數(shù)。歸納一下就是，先確定設(shè)計變量，然后在建立約束條件的基礎(chǔ)上完成目標(biāo)函數(shù)設(shè)計。

2.2 變速器齒輪優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 把控變速器齒輪模數(shù)與壓力角

在優(yōu)化變速器齒輪設(shè)計的進(jìn)程中，與齒輪關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)、影響最大的就是壓力角和齒輪模數(shù)。齒輪模數(shù)數(shù)量越多，則齒輪厚度值就越大，所以要想確保齒輪的可靠性、實用性，在設(shè)計環(huán)節(jié)就要對模數(shù)做到嚴(yán)格控制，讓每個變速器齒輪相互間都對應(yīng)著與之匹配的模數(shù)。對壓力角數(shù)值有關(guān)聯(lián)的除了點離基圓的距離以外，還有漸開線，所以關(guān)于壓力角的選擇一定要全面的分析漸開線運動方向和有關(guān)的受力分析，每一個相關(guān)因素都要考慮在內(nèi)，才能實現(xiàn)最優(yōu)化的壓力角選擇。

2.2.2 確定好齒輪寬度與螺旋角度

就理論層面而言，分度圓直徑數(shù)值和齒輪寬度系數(shù)相乘之?dāng)?shù)即為機(jī)械式變速器的齒輪寬度。但是，在具體設(shè)計過程中為了全面考慮齒輪的穩(wěn)定性與可靠性，有必要有選擇性的調(diào)整汽車變速器本身的體積、質(zhì)量，通常調(diào)整內(nèi)容是適當(dāng)降低相關(guān)數(shù)值。此外，還需要綜合考慮承載能力，最好能得到精確計算后的結(jié)果，而關(guān)于螺旋角度的確定，既要在國際通用范圍內(nèi)，還要合理的控制傾斜程度，兩個條件均滿足后才能最大化發(fā)揮斜齒優(yōu)點。

2.2.3 保證齒輪修正工作質(zhì)量

齒輪設(shè)計前，就要嚴(yán)格遵照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，完成設(shè)計后也需要圍繞國際通用標(biāo)準(zhǔn)再次檢查各項參數(shù)與強(qiáng)度。就正式設(shè)計前，最好提前結(jié)合有關(guān)的國際通用計算方法和標(biāo)準(zhǔn)，得出精確的齒輪縱向尺寸與軸向尺寸。因為齒輪性能將在很大程度上影響到變速器質(zhì)量，所以為了讓機(jī)械式變速器可靠性得以提升，一定要高度重視齒輪設(shè)計的科學(xué)性，這里的關(guān)鍵就在于齒輪修正，修正工作是確保齒輪體現(xiàn)最佳性能的重要環(huán)節(jié)。

2.3 變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計

針對目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)設(shè)計，需要靈活使用相關(guān)數(shù)學(xué)軟件才能實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。比如，應(yīng)用Matlab6.5工具箱中的fmincom函數(shù)來處理非線性約束條件的優(yōu)化問題，有關(guān)設(shè)計人員最好在一個文件中集中約束條件、目標(biāo)函數(shù)等，有針對性的從中獲取約束條件即可，同時編寫其他變速器齒輪系統(tǒng)限制條件，構(gòu)建多目標(biāo)多元化的非線性函數(shù)[4]。另外，以輕量化為基礎(chǔ)的模型設(shè)計，通過對比多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計函數(shù)即可驗證汽車機(jī)械式變速器的可行性。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析得知，基于可靠性、輕量化的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計能大大縮小變速器齒輪系統(tǒng)體積，并提升系統(tǒng)可靠性。

2.4 變速擋位優(yōu)化設(shè)計

2.4.1合理把控變速器檔數(shù)

相關(guān)設(shè)計人員可在允許范圍內(nèi)適當(dāng)上調(diào)機(jī)械式變速器檔數(shù)，從最初設(shè)計上增加檔數(shù)來促使汽車發(fā)動機(jī)發(fā)揮最大功率的有效價值，與此同時讓汽車獲得更為充足的運行動力，強(qiáng)化變速能力，從而實現(xiàn)汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化目標(biāo)。不過變速器檔數(shù)不可無限制的上調(diào)，當(dāng)機(jī)械式變速器自身結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時，就會增加駕駛難度，降低車主使用性和體驗感。

2.4.2精確計算檔位傳動比

不同的汽車型號必然對應(yīng)著不同的檔位傳動比，比如小型貨車檔位傳動比范圍通常在6-8之間，載重較大的大型貨車檔位傳動比通常為8，載重偏小的小轎車檔位傳動比范圍通常在2-5之間。因此，在計算擋位傳動比的環(huán)節(jié)匯總，要立足于汽車的具體信號以及真實使用情況考慮，盡可能保證機(jī)械式變速器性能的可靠性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

總而言之，汽車機(jī)械式變速器是市面上絕大部分汽車使用的變速器類型，目前混動技術(shù)中已經(jīng)出現(xiàn)了電動機(jī)與機(jī)械式變速器一體化技術(shù)，所以關(guān)于機(jī)械式變速器的設(shè)計細(xì)節(jié)和設(shè)計方式有待進(jìn)一步思考、細(xì)化和判斷，從多個不同的角度去優(yōu)化機(jī)械式變速器，達(dá)到提升機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計的目的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳芳.基于可靠性的汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用，2020，322（02）：142-144.

[3]黃瑾媛.汽車機(jī)械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，050（010）：157.

[4]李時蕾.汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)路徑分析[J].微型電腦應(yīng)用，2019，35（05）：143-145.