汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展和車輛技術(shù)的進(jìn)步，汽車在人們生活中得到普遍使用。汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高。本研究將淺析下汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械變速；可靠性；變速器

0 前言

從汽車的大批量生產(chǎn)及汽車工業(yè)的大發(fā)展以來，汽車已為世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(dòng)機(jī)構(gòu)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(guān)重要的影響。復(fù)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(dāng)大的范圍內(nèi)變化，這就需要我們進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。只有這樣才能滿足客戶更高的使用要求，進(jìn)一步提高汽車的使用性能。

1 淺析汽車機(jī)械變速的相關(guān)內(nèi)容

1.1 進(jìn)行汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)的原因

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車工業(yè)也得到了空前的發(fā)展，私家汽車逐漸走進(jìn)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(dòng)力裝置是以內(nèi)燃機(jī)為主，而變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)不可或缺的一部分，對汽車性能有著至關(guān)重要的影響。汽車變速器主要有以下作用：經(jīng)過科學(xué)地計(jì)算與理論分析，來適當(dāng)?shù)馗淖兤嚨膫鲃?dòng)比，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最好的工作范圍內(nèi)；實(shí)現(xiàn)減速，讓動(dòng)力系統(tǒng)停止工作；在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)汽車的倒退行駛功能。合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)變速器可以降低汽車耗油量，同時(shí)增加汽車駕駛平穩(wěn)性和可操控性，顯著提高汽車性能。目前汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被廣泛用于汽車中，這種變速器具有傳動(dòng)效率高、使用期限長、設(shè)計(jì)工藝較為成熟等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有切換檔位不穩(wěn)定、變速器體積大、可靠性不高等自身缺陷，因此對汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1.2 分析汽車變速器發(fā)展現(xiàn)狀

自從人們發(fā)明了汽車以來，汽車已經(jīng)經(jīng)過了多次改革和創(chuàng)新，是人們出行最為便利的交通工具，成為人們現(xiàn)代生活的一部分。現(xiàn)代汽車的動(dòng)力裝置內(nèi)燃機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、工作可靠和使用方便等特點(diǎn)，但在換擋時(shí)存在轉(zhuǎn)速變化范圍小的缺點(diǎn)，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(gè)裝置可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化范圍增大的目標(biāo)。目前被廣泛采用的變速器有以下幾種：有級(jí)式變速器、無級(jí)式變速器、綜合式變速器等。有極變速器以機(jī)械式結(jié)構(gòu)為主，具備成本低、耐用等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的變速器；無極變速器雖然具有經(jīng)濟(jì)、高動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展較為成熟，但同時(shí)具備著成本高、不耐用等缺點(diǎn)；綜合式變速器是指由液力變矩器和機(jī)械式有級(jí)變速器組成的液力機(jī)械式變速器，目前正在推廣中。

2 汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

2.1 根據(jù)科學(xué)、合理地原則，進(jìn)行變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠度的分配

在進(jìn)行汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要對可靠度進(jìn)行有效地分配。進(jìn)行可靠度分配需要考慮很多的制約因素，如技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)成本、工作環(huán)境等。首先，我們假設(shè)機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jù)指數(shù)分布的；然后將可靠度分配給變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)構(gòu)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(qiáng)度和齒輪接觸疲勞強(qiáng)度，變速器軸的可靠度分為軸疲勞強(qiáng)度和剛度，在進(jìn)行可靠度分配時(shí)，需根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)可靠度分配的原則進(jìn)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(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型是優(yōu)化設(shè)計(jì)變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)可靠性的基礎(chǔ)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，需要依靠科學(xué)的數(shù)學(xué)模型。因此，建立數(shù)學(xué)的模型是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。建立數(shù)學(xué)模型需要科學(xué)地選擇設(shè)計(jì)變量參數(shù)，在滿足所有制約條件的基礎(chǔ)上，讓目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大優(yōu)化值。現(xiàn)在我們來分析建立數(shù)學(xué)模型的方法。首先需要建立目標(biāo)函數(shù)。選擇合適的性能指標(biāo)，一般都選取齒輪傳動(dòng)重合度與變速器的體積。齒輪傳動(dòng)的重合度越大，那么汽車動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲越小，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將越平穩(wěn)，可以有效地降低傳動(dòng)過程的動(dòng)荷載，提高汽車的舒適性和可操縱性。而當(dāng)變速器體積越小，不僅僅可以節(jié)省原材料，降低成本，而且可以優(yōu)化車載空間。選擇這兩個(gè)性能指標(biāo)，將其進(jìn)行最大度優(yōu)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(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量往往與很多設(shè)計(jì)參數(shù)有著密切的關(guān)系，因此需要選擇合適的設(shè)計(jì)變量。最后我們來分析下設(shè)計(jì)過程中我們需要確定相關(guān)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(qiáng)度與齒面結(jié)合疲勞強(qiáng)度，其都需要進(jìn)行可靠性約束；第二，變速器最大傳動(dòng)比約束，這個(gè)參數(shù)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(dòng)比比值約束，這個(gè)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(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能；第四，變速器中心距約束，改變這個(gè)條件有效地控制變速器的質(zhì)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(shù)、輪齒根切、螺旋角等約束。

2.3 小議變速器軸的可靠性設(shè)計(jì)

現(xiàn)在來分析下變速器軸的可靠性設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。因此在進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，必須先使變速器傳動(dòng)軸的強(qiáng)度達(dá)到預(yù)先的可靠性，然后再考慮如何節(jié)省材料。首先是對變速器軸靜強(qiáng)度進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，由于機(jī)械變速器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要根據(jù)變速器軸的強(qiáng)度與應(yīng)力分布來設(shè)計(jì)出可靠性設(shè)計(jì)流程。設(shè)計(jì)過程中需要畫出動(dòng)力輸出軸簡單示意圖，并進(jìn)行受力及其他科學(xué)理論分析，根據(jù)可靠度來計(jì)算出變速器軸軸徑。其次在對變速器軸可靠性設(shè)計(jì)時(shí)對動(dòng)力輸出軸進(jìn)行剛度可靠性設(shè)計(jì)，本文就不詳細(xì)介紹了。

3 應(yīng)用先進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)一步優(yōu)化其他參數(shù)

除了通過理論與實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)，還需要應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，來進(jìn)一步優(yōu)化其他設(shè)計(jì)參數(shù)。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件可以優(yōu)化很多相關(guān)參數(shù)數(shù)值，求解線性、非線性等最小化或最大化的數(shù)值。對機(jī)械傳動(dòng)變速結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要進(jìn)行單目標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算，得到齒輪重合度的最優(yōu)值與體積的最優(yōu)值，然后再建立方程來進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過軟件的優(yōu)化計(jì)算，可以使齒輪參數(shù)圓整。由于齒輪齒數(shù)必須為整數(shù)，所以優(yōu)化變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須對齒輪參數(shù)進(jìn)行圓整處理，否則會(huì)帶來齒輪接觸強(qiáng)度不強(qiáng)、彎曲強(qiáng)度不夠等問題。最后，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件反復(fù)進(jìn)行模擬調(diào)試，查找變速器各種約束條件之間兼容的問題，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少開發(fā)中存在的問題。并能降低開發(fā)成本縮短開發(fā)周期。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬調(diào)試主要包括以下步驟：在調(diào)試過程中不改變目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量，通過不斷改變初始值對比分析優(yōu)化結(jié)果的差異；通過減去其中一個(gè)約束條件的方式，重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，查找哪一種約束對可靠度影響最大，最終得到最佳的優(yōu)化效果。

4 結(jié)語

總而言之，汽車現(xiàn)在是我國人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕煌üぞ撸兯倨鞯男阅苡绊懼嚨钠椒€(wěn)性等，隨著人們對汽車性能的要求不斷地提高，那么應(yīng)必須進(jìn)行汽車機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而來滿足人們的需求，也是促進(jìn)汽車行業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

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[責(zé)任編輯：湯靜]