汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計

尤建祥

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

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汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計

尤建祥

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

摘 要：隨著交通行業(yè)的發(fā)展推動，我國的汽車行業(yè)也隨之發(fā)展迅猛，對于汽車的設(shè)計制造也不斷優(yōu)化。汽車的變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，它對汽車的操控性、動力性、以及傳動的平穩(wěn)性和效率都有著直接的影響。由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及汽車的設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用，汽車使用者們對汽車變速器的設(shè)計要求也日趨變高。為了更快的提高我國汽車的穩(wěn)定性和安全性，本文通過對汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)的可靠性設(shè)計研究，從而提出一些相關(guān)的優(yōu)化措施，進一步更好的滿足用戶對汽車的需求。

關(guān)鍵詞：汽車機械式變速器；變速傳動機構(gòu)；可靠性設(shè)計；MATLAB

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.020

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-57-03

前言

汽車作為我國目前最重要的交通工具之一，給人們的生活、工作都帶來了很大的便利。自從汽車采用了內(nèi)燃機作為動力的裝置，汽車的變速器就成為了汽車傳動機構(gòu)最重要的組成部分之一。而汽車變速器的使用不僅能夠擴大車輪距離和轉(zhuǎn)速的范圍，改變汽車的傳動比，還能夠讓發(fā)動機在最良好的工礦范圍以內(nèi)進行工作，這對于車輛整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和實用性都有著不可缺少的重要作用。汽車的機械式變速器，具有成本低、壽命長、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，并且也得到大范圍的使用，但是機械式變速器也存在一定的劣勢，例如：體積大以及換檔沖擊大等。對于怎樣改善機械式變速器結(jié)構(gòu)，增強使用性能，提高傳動可靠性，是車輛的技術(shù)人員和設(shè)計人員共同關(guān)注的問題。

1、汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計

變速器對于車輛使用的安全性和操控性都有著直接的影響，針對汽車變速器的可靠性設(shè)計，不單單是要實現(xiàn)換檔傳動的作用，更重要的是應(yīng)該保證在車輛行駛過程中的穩(wěn)定性和安全性。對于車輛的機械式變速器，通過對變速器的材料、零部件的尺寸以及載荷等進行分析和多次試驗，確定其優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。

1.1 汽車變速器可靠度的分配

通過對汽車變速器的可靠度進行分配，歐諾個來確保汽車傳動結(jié)構(gòu)中機械式變速器的可靠性能，而對于分配工作，往往需要在費用情況、技術(shù)水平、復(fù)雜程度以及工作環(huán)境等因素的詳細考慮下進行。第一步，先假設(shè)變速器的零部件故障時相對獨立的，并且它的壽命服從于指數(shù)的分布；接下來，需要把近些式變速器變速傳動機構(gòu)可靠度分別分配給花鍵、軸承、變速器軸和變速齒輪。其中花鍵可靠度分解為疲勞強度，變速器軸可靠度分解為疲勞剛度和軸疲勞剛度，變速齒輪可靠度分解為齒輪接觸疲勞強度和齒輪彎曲疲勞強度。

1.2 變速器齒輪系多目標可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型

（1）建立目標函數(shù)

變速器齒輪系多目標可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型多數(shù)時候都是以齒輪傳動復(fù)合度最大化和變速體積最大化為目標函數(shù)，而這個目標函數(shù)也確保是變速器能夠滿足汽車動力的穩(wěn)定性和安全性的前提之下所進行的。對于產(chǎn)品的制造成本來說，變速器的體積越小就越能節(jié)省原材料。如果齒輪傳動的重合度越大，噪音就會越小，傳動也就會越平穩(wěn)，這樣有利于降低傳動中的動載荷量。

（2）選取設(shè)計變量

其實汽車機械式變速器齒輪系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)聯(lián)到多個參數(shù)，但是本文只是選取了其中五個參數(shù)，以此來作為優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量，即齒合齒輪模數(shù)、常齒合齒輪模數(shù)、格擋變速比、齒寬以及螺旋角。

（3）約束條件的確認

在這個優(yōu)化設(shè)計中，其確定的約束條件分別是：變速器各檔傳動比比值約束；變速齒輪可靠性約束；邊界約束；變速器中心距約束；變速器最大傳動比約束和中間軸軸向力平衡約束。

1.3 變速器軸的可靠性設(shè)計

汽車的機械室內(nèi)變速器軸主要包括軸頸、軸肩、齒輪段和退刀槽過渡段。變速器的軸結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，需要先滿足軸強度的可靠性，才能進一步對其可靠性進行優(yōu)化設(shè)計，有分寸的節(jié)省用于設(shè)計的制造材料。通過盡量減少軸徑的方法，從而更大程度的提高花鍵和軸承的工作性能。而且在汽車變速器的軸系統(tǒng)中，基本上最為復(fù)雜的都是第二軸的結(jié)構(gòu)，其工況也是最為惡劣的。

（1）動力輸出軸靜強度可靠性設(shè)計

由于汽車變速器的軸結(jié)構(gòu)相對有些復(fù)雜，所以我們應(yīng)該用截面軸逐漸的取代簡化階梯軸。因為軸在應(yīng)力分布和危險截面分布基本上呈現(xiàn)正態(tài)分布，所以說，對于動力輸出軸靜強度可靠性設(shè)計首先應(yīng)該畫出軸的結(jié)構(gòu)意簡圖，然后就對軸的各部位進行受力分析，得出向相應(yīng)的受力和力距，再繪出轉(zhuǎn)矩和彎距圖，確保軸在危險截面的強度分布情況，根據(jù)規(guī)定好的可靠度計算出軸徑。

（2）動力輸出軸剛度的可靠性設(shè)計

由撓角、軸扭轉(zhuǎn)角和軸截面偏轉(zhuǎn)角組成了變速器汽車變速器動力輸出軸剛度可靠性設(shè)計。所以，軸剛度的可靠度分配是：Rc剛=Rc扭*Rc撓*Rc偏。并且還可以假設(shè)，三者都是服從于正態(tài)分布的隨機變量。由于變速器的每個檔位的受力大小和位置都有所不同，所以應(yīng)該分別進行計算設(shè)計，但是其計算方法基本上都是一致的。

2、基于MATLAB多目標可靠性優(yōu)化設(shè)計

（1）MATLAB工具箱

MATLAB是于1984年由Math Works公司所推出的一套科學(xué)計算軟件，分為總包和若干個工具箱。而該軟件不僅用戶界面良好，并且還具有強大的擴展能力。MATLAB本身具有強大的優(yōu)化工具箱，它可以準確有效的對線性、非線性以及半無限等問題進行求解。在對汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)的可靠性進行優(yōu)化時，應(yīng)該在此之前先對單目標進行優(yōu)化計算，得到體積和重合度的最優(yōu)值之后，最后在進行聯(lián)合的優(yōu)化計算。這樣得出的實踐結(jié)果證明最高效做科學(xué)的設(shè)計方法無疑是斜齒輪多目標的優(yōu)化設(shè)計。

（2）齒輪參數(shù)圓整

由于斜齒輪的齒數(shù)必須是整數(shù)，這就使得選取的齒輪法向模數(shù)就必須符合國際標準值，同時又因為一對齒合的齒輪齒數(shù)不能夠含有公因數(shù)，并且大齒輪齒數(shù)又不能是小齒輪齒數(shù)的整數(shù)倍，所以就需要展開齒輪參數(shù)圓整的優(yōu)化設(shè)計處理。而齒輪接受強度不夠和齒輪彎曲強度不足的問題，可以通過齒輪變位來進行處理，這樣可以有效的避免齒輪參數(shù)圓整引起的一系列問題。

（3）對程序進行調(diào)試優(yōu)化

本文對所編寫的多目標可優(yōu)化設(shè)計程序進行了調(diào)試，而調(diào)試的主要目的是：用于驗證本程序是否能夠在各種輸入情況下完成優(yōu)化功能；對優(yōu)化問題進行進一步的研究，從而得到優(yōu)化問題對于各個約束條件的敏感程度。

對于程序進行調(diào)試的過程為：通常對變量、目標函數(shù)以及約束條件不做任何改變，單單只是改變它的初始值，下一步進行其對比分析，

在不同初始值下的優(yōu)化結(jié)果是否是相同的。另外，在不改變變量和目標函數(shù)的同時，而去掉某一個約束條件，然后進行對比，對比這個約束條件是否存在的優(yōu)化結(jié)果，以此來明確優(yōu)化分析對于約束條件的敏感程度。通過對程序調(diào)試進行優(yōu)化，使我們不難發(fā)現(xiàn)，對于其優(yōu)化結(jié)果的影響最大的是一檔齒輪小齒輪的彎曲疲勞強度。

3、總結(jié)

跟隨現(xiàn)代交通科技的快速發(fā)展，人們對于汽車產(chǎn)品的性能要求也越來越高，而以此同時也是為汽車產(chǎn)品的設(shè)計提供了新的理論和新的方法。汽車的變速器作為汽車最重要的零部件之一，對于汽車整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能和用戶使用的安全性能都有著決定性作用。需要對汽車機械式變速器傳動機構(gòu)的可靠性進行深入的研究，通過利用MATLAB優(yōu)化工具進行結(jié)果優(yōu)化，構(gòu)造與其相關(guān)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，進一步提高汽車機械式變速器可靠性設(shè)計的應(yīng)用水平，有效的促進我國汽車市場的平穩(wěn)發(fā)展。

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Mechanical transmission reliability optimization design variable speed drive mechanism

You Jianxiang
（Panjin vocational and technical college, Liaoning Panjin 124000）

Abstract:with the development of the transportation sector, China's auto industry has been developing rapidly, the car's design and manufacturing has been optimized. Automobile transmission is an important part of automobile transmission system, it for vehicle handling, performance, and has a direct impact on the stability and efficiency of the transmission. Due to the rapid development of the automotive industry and automotive design, development and application of car users to the design requirements of auto transmission is high. Faster in order to increase the stability and safety of cars in our country, this article through to automobile research of reliability design of mechanical transmission gear transmission mechanism, so as to put forward some relevant optimized measures, further better meet user demand for cars.

Keywords:mechanical transmission; Variable speed drive mechanism; Reliability design; MATLAB

作者簡介：尤建祥，碩士研究生，實驗師，就讀于盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院。專業(yè)：車輛工程。

中圖分類號：U463.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-57-03