汽車機械變速傳動機構可靠性的優化設計

【摘 要】隨著汽車工業的高速發展和車輛技術的進步，汽車在人們生活中得到普遍使用。汽車變速傳動機構（俗稱變速器）是影響汽車性能的主要因素之一，因此人們對汽車變速傳動機構設計的要求也越來越高。本研究將淺析下汽車機械變速傳動機構可靠性的優化設計。

【關鍵詞】機械變速；可靠性；變速器

0 前言

從汽車的大批量生產及汽車工業的大發展以來，汽車已為世界經濟的快速發展提供了有力支持，為人們出行提供了便捷的交通工具。汽車變速傳動機構是汽車的重要組成部分，對汽車的牽引力大小和車速變化有著至關重要的影響。復雜的使用條件和道路工況要求汽車的牽引力和車速能在相當大的范圍內變化，這就需要我們進一步優化設計變速傳動機構。只有這樣才能滿足客戶更高的使用要求，進一步提高汽車的使用性能。

1 淺析汽車機械變速的相關內容

1.1 進行汽車機械變速傳動機構可靠性的優化設計的原因

近年來，隨著科學技術的發展，汽車工業也得到了空前的發展，私家汽車逐漸走進了中國的千家萬戶。正是由于汽車的普遍使用，人們對汽車性能的要求越來越高。眾所周知，汽車的動力裝置是以內燃機為主，而變速器是汽車傳動系統不可或缺的一部分，對汽車性能有著至關重要的影響。汽車變速器主要有以下作用：經過科學地計算與理論分析，來適當地改變汽車的傳動比，使發動機處于最好的工作范圍內；實現減速，讓動力系統停止工作；在發動機旋轉方向不變的基礎上，實現汽車的倒退行駛功能。合理地優化設計變速器可以降低汽車耗油量，同時增加汽車駕駛平穩性和可操控性，顯著提高汽車性能。目前汽車機械變速傳動機構被廣泛用于汽車中，這種變速器具有傳動效率高、使用期限長、設計工藝較為成熟等優點，但同時具有切換檔位不穩定、變速器體積大、可靠性不高等自身缺陷，因此對汽車機械變速傳動機構可靠性進行優化設計成為了相關研究領域的熱點。

1.2 分析汽車變速器發展現狀

自從人們發明了汽車以來，汽車已經經過了多次改革和創新，是人們出行最為便利的交通工具，成為人們現代生活的一部分。現代汽車的動力裝置內燃機具有體積小、質量輕、工作可靠和使用方便等特點，但在換擋時存在轉速變化范圍小的缺點，影響了汽車的操作性、舒適性等性能，所以人們引入了變速器，這個裝置可以實現轉速變化范圍增大的目標。目前被廣泛采用的變速器有以下幾種：有級式變速器、無級式變速器、綜合式變速器等。有極變速器以機械式結構為主，具備成本低、耐用等優點，是目前使用最為廣泛的變速器；無極變速器雖然具有經濟、高動力等優點，其發展較為成熟，但同時具備著成本高、不耐用等缺點；綜合式變速器是指由液力變矩器和機械式有級變速器組成的液力機械式變速器，目前正在推廣中。

2 汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性優化設計數學模型

2.1 根據科學、合理地原則，進行變速傳動機構可靠度的分配

在進行汽車機械變速傳動機構可靠性的優化設計時，首先需要對可靠度進行有效地分配。進行可靠度分配需要考慮很多的制約因素，如技術水平、經濟成本、工作環境等。首先，我們假設機械變速傳動機構零部件之間的故障是互不干涉的，而零部件的壽命都是根據指數分布的；然后將可靠度分配給變速傳動機構所有的零部件，如變速齒輪、變速變速器軸和軸承等。變速傳動機構的易損零件不需要考慮可靠度分配，其對變速器整體可靠性影響較小，只需要定期地更換即可。變速器齒輪的可靠度分為齒輪彎曲疲勞強度和齒輪接觸疲勞強度，變速器軸的可靠度分為軸疲勞強度和剛度，在進行可靠度分配時，需根據串聯系統可靠度分配的原則進行分配，變速器的可靠度就是所有零部件可靠度的乘積。

2.2 設計數學模型是優化設計變速傳動結構可靠性的基礎

在優化設計的過程中，需要依靠科學的數學模型。因此，建立數學的模型是優化設計的基礎。建立數學模型需要科學地選擇設計變量參數，在滿足所有制約條件的基礎上，讓目標函數達到最大優化值。現在我們來分析建立數學模型的方法。首先需要建立目標函數。選擇合適的性能指標，一般都選取齒輪傳動重合度與變速器的體積。齒輪傳動的重合度越大，那么汽車動力系統產生的噪聲越小，傳動機構將越平穩，可以有效地降低傳動過程的動荷載，提高汽車的舒適性和可操縱性。而當變速器體積越小，不僅僅可以節省原材料，降低成本，而且可以優化車載空間。選擇這兩個性能指標，將其進行最大度優化，對提高變速器可靠性及汽車性能有著顯著影響。其次是選取合適的設計變量。設計變量往往與很多設計參數有著密切的關系，因此需要選擇合適的設計變量。最后我們來分析下設計過程中我們需要確定相關的約束條件：第一，變速齒輪可靠性約束，變速齒輪的可靠度主要包括齒根彎曲疲勞強度與齒面結合疲勞強度，其都需要進行可靠性約束；第二，變速器最大傳動比約束，這個參數主要受汽車最大爬坡度和路面附著力的約束；第三，變速器各檔傳動比比值約束，這個條件直接影響著汽車性能，因此需要合理地分配檔速比，這樣才能最大度地發揮發動機的性能；第四，變速器中心距約束，改變這個條件有效地控制變速器的質量與體積，使得變速器的體積變得更為小巧；第五，中間軸軸向力平衡約束，減少變速器箱體的受力情況，能夠延長變速箱的使用壽命；第六，邊界約束條件，就是像模數、輪齒根切、螺旋角等約束。

2.3 小議變速器軸的可靠性設計

現在來分析下變速器軸的可靠性設計。變速器軸主要是由軸肩、軸頸、退刀槽過渡段和安裝齒輪段等組成，結構較為復雜。因此在進行可靠性設計時，必須先使變速器傳動軸的強度達到預先的可靠性，然后再考慮如何節省材料。首先是對變速器軸靜強度進行可靠性設計，由于機械變速器結構較為復雜，需要根據變速器軸的強度與應力分布來設計出可靠性設計流程。設計過程中需要畫出動力輸出軸簡單示意圖，并進行受力及其他科學理論分析，根據可靠度來計算出變速器軸軸徑。其次在對變速器軸可靠性設計時對動力輸出軸進行剛度可靠性設計，本文就不詳細介紹了。

3 應用先進計算機軟件，進一步優化其他參數

除了通過理論與實驗的方法來進行可靠度優化設計，還需要應用先進的計算機軟件進行分析，來進一步優化其他設計參數。先進的計算機軟件可以優化很多相關參數數值，求解線性、非線性等最小化或最大化的數值。對機械傳動變速結構進行優化設計時，首先需要進行單目標的優化計算，得到齒輪重合度的最優值與體積的最優值，然后再建立方程來進行優化計算。通過軟件的優化計算，可以使齒輪參數圓整。由于齒輪齒數必須為整數，所以優化變速器結構設計時必須對齒輪參數進行圓整處理，否則會帶來齒輪接觸強度不強、彎曲強度不夠等問題。最后，就是運用計算機軟件反復進行模擬調試，查找變速器各種約束條件之間兼容的問題，進一步優化設計，減少開發中存在的問題。并能降低開發成本縮短開發周期。運用計算機軟件進行模擬調試主要包括以下步驟：在調試過程中不改變目標函數和設計變量，通過不斷改變初始值對比分析優化結果的差異；通過減去其中一個約束條件的方式，重新進行優化設計，查找哪一種約束對可靠度影響最大，最終得到最佳的優化效果。

4 結語

總而言之，汽車現在是我國人們日常生活中的主要交通工具，而變速器的性能影響著汽車的平穩性等，隨著人們對汽車性能的要求不斷地提高，那么應必須進行汽車機械變速傳動機構可靠性的優化設計，從而來滿足人們的需求，也是促進汽車行業發展的必經之路。

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[責任編輯：湯靜]