汽車機械式變速器的可靠性優化設計研究

閆福剛

摘 要：汽車在使用期間，借助自身內部系統的相互協調，在發動機動力的作用下將汽車帶動起來。變速器在控制汽車速度中起到十分重要的作用。車輛車速的控制是利用變速器的協調作用，改變內部結構配置，對車速進行調整。設計車輛變速器時，應根據汽車動力行需求，確保汽車內部零件強度與剛度的可靠性滿足車輛變速要求。現通過建立數學模型，優化設計汽車機械式變速器的可靠性。

關鍵詞：機械式變速器；汽車；可靠性

汽車變速器的作用是為汽車提供可變化的速度，以保證車輛正常運行。汽車機械式變速器作為一種相對古老的調速模式，一直被沿用至今[ 1 ]。在應用過程中對技術不斷改進，變成了一種成熟的變速器使用元件。無極變速器和自動變速器出現后，給機械式變速器造成一定沖擊，影響了在市場中的使用份額。AMT出現后，機械式變速器迎來了全新的機遇，具備良好的發展前景。

一、提出問題

從目前來看，機械式變速器仍被廣泛應用于汽車中。人們生活水平的提升，對汽車的要求越來越高。雖然機械式變速器較為古老，但依然能夠滿足一些汽車愛好者的需求。汽車的不斷發展，汽車機械式變速器的作用越來越重要，然而，在優化設計機械式變速器可靠性時，存在一系列問題。

（一）介紹機械式變速器設計

發動機具備較高的輸出轉速，在特定的轉速區存在最大扭矩和最大功率。為了使發動機性能充分發揮出來，需要安裝變速裝置，以對車輪實際行駛速度與發動機轉速進行協調，這種裝置被稱之為變速器。齒輪組是機械式變速器應用的重要部分，各個檔的齒輪組齒數是一定的，因此，每個檔的變速比值是一個固定值。

（二）分析存在的問題

現代設計方法的主要優勢是能夠對精密的數字運算進行優化設計，以獲取最佳設計功能，或者能夠優化局部結構設計、局部零部件，做到汽車輕量化，以減少尾氣排放，節約能源。所以，現代優化設計法被廣泛應用于汽車變速器設計。從另一角度來說，采取現代優化設計方式設計汽車變速器，不僅優化了其設計功能，同時也優化了其性能。汽車變速器的三個重要性能指標是可靠性、安全性和平穩性，在現代優化設計方式對汽車機械式變速器進行設計時，優化了變速器的可靠性、安全性和平穩性。所以，在采取現代優化設計法設計汽車機械式變速器時，需要優化設計其可靠性。

二、優化設計機械式變速器的可靠性

盡管機械式變速器依然采用傳統汽車技術，但其作為變速機構的一種，通過優化設計，能夠提升其可靠性，進而提升其在市場中的地位。因此，優化設計機械式變速器的可靠性，顯得尤為重要。

（一）分析變速器設計模型

汽車設計過程中，存在的一個主要矛盾是輕量化與可靠性，故在設計汽車時，要權衡輕量化與可靠性間的關系，特別是對機械式變速器進行設計時。機械式變速器換擋變速原理，主要是利用多個齒輪改變傳動比。在設計汽車變速器輕量化和可靠性時，主要是優化設計齒輪的輕量化和可靠性。設計變速器輕量化時，重點考慮變速器齒輪系統體積，把變速器齒輪體積最小和設置為設計輕量化目標函數，公式[ 2 ]如下：

上述公式中，各個齒輪分度圓直徑用，各個齒輪齒寬用b表示，因齒輪系以漸開線圓柱齒輪進行轉動，故分度圓壓力角相同，互相要喝的兩個齒輪分度圓上木梳相同。除此之外，螺旋角、倒擋齒輪模式和一檔齒輪取值一致，故倒擋傳動比決定著倒擋齒輪體積。設計好前進檔位齒輪后，借助倒擋傳動比，能夠對倒擋齒輪其他參數進行計算，齒輪系體積計算公式如下：

上述公式中第i檔齒輪法向模數用mni表示，其中i=1，2，3，4，5；第i檔齒輪分度圓柱螺旋角用其中i=1，2，3，4，5。

參照變速器每個檔傳動比間關系，公式2可以轉化成齒輪基本參數函數，公式如下：

之后確定設計變量，構建約束條件，對目標函數進行求解，這樣，能夠完成汽車變速器輕量化設計，進而優化設計汽車機械式變速器可靠性。

（二）以變速器齒輪可靠性為中心，分析復合模型

實際分析上述模型時，主要是在體積方面優化設計變速器自身輕量化，關于可靠性設計內容較少。所以，基于傳統變速器體積函數模型，分析可靠性目標，以輕量化和可靠性為主構建復合設計模型。

變速器內部齒輪安裝了檢測裝置，以實時監測內部齒輪狀態，加入機械式變速器齒輪均可能出現故障，當其中一個齒輪出現故障時，判定為變速器出現故障[ 3 ]。

這時，機械式變速器內部齒輪出現故障用H1表示，齒輪無故障用H0表示，N個齒輪檢測裝置可以獲得k個沒有經過處理的數據向量Xi。

就這一模型進行分析，在模型計算中納入因故障率引發的可靠性，將促進機械式變速系統計算可信度及可靠性分析的提升。

（三）多目標優化法

這種方法求解的方式包括很多種，現利用綜合目標法進行分析。利用線性加權法轉化多目標優化問題，使其變為評價函數，各個單目標優化值倒數設置為權系數，那么minf（X）=[W2f2（x）+W1f1（x）]，公式中，體積加權系數：W1=1/F*1（X），總重合度加權系數：W2=1/[-f*2（X）]，單體積最優化值：F*1（X），單總重合度最優化值：F*2（X）。

三、總結

汽車的可靠性和穩定性受到變速器可靠性的影響，故在設計機械式變速器時，要實施優化研究，在機械式變速器設計中納入可靠性分析，以促進機械式車輛變速器的市場份額。

本研究采用現代設計方法優化設計機械式變速器可靠性，并構建可靠性復合模型，對機械式變速器可靠性進行優化設計。但研究內容存在局限，有待進一步研究。

參考文獻：

[1] 朱艷軍.對汽車機械式變速器可靠性優化設計的研究[J].民營科技，2014（7）：43.

[2] 帥宗良.汽車機械式變速器的可靠性優化設計[J].城市建設理論研究電子版，2015（4）：256.

[3] 李鵬飛.汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性優化設計[J].科技傳播，2014（17）：90.