汽車機械式變速器的可靠性優化設計綜述

周靜

【摘 ?要】隨著現代科學技術的發展，汽車工業也迅速發展起來，由于各種各樣的因素，交通事故的發生率也越來越高。為了降低交通事故的發生率，可以從改善汽車性能這一方面進行考慮。作為傳動系統的主要組成部分之一，變速器可以改善汽車行駛的安全性和平穩性，因此，為了提高汽車的行駛安全性，降低交通事故的發生率，變速器也必須進行優化設計，本文從傳統的汽車機械式變速器的可靠性方面對變速器提出了優化設計要求。

Abstract：With the development of modern science and technology，the automobile industry has also developed rapidly.Due to various factors，the incidence rate of traffic accidents is getting higher and higher.In order to reduce the incidence of traffic accidents，the improvement of vehicle performance can be considered.As one of the main components of the transmission system，transmission can improve the car's safety and stability，therefore，in order to improve the driving safety of cars and reduce the incidence of traffic accidents，transmission must be also optimized design，this article put foward optimization design from the traditional mechanical transmission reliability.

【關鍵詞】機械式變速器;可靠性;優化設計

Key words：mechanical transmission;reliability;optimization design

引言

隨著近年來交通事故越來越多，大眾對汽車的安全性也越來越關注。但是作為我國目前主要的交通工具之一，汽車給我們的生活帶來了很大的便利，因此必須要改進汽車的性能以降低交通事故發生率。變速器在汽車傳動系統中起著主要作用，能夠根據不同的行駛條件改變汽車的傳動比，并使發動機在有利工況下工作，對汽車的行駛安全性有直接影響。但傳統的機械式變速器仍存在很多問題，如果不對其進行優化設計，汽車的安全性得不到保障且機械式變速器也會逐漸失去使用價值。

1 汽車機械式變速器概述及現狀分析

隨著技術的發展，越來越多的汽車使用內燃機為汽車運行提供動力。但內燃機轉速變化較小，成本較高，因此與機械式變速器汽車相比，具有一定的劣勢。與眾多新型變速器相比，傳統的機械式變速器的優勢在于它的價格更低，但使用壽命和使用效率較高，駕駛員的駕駛體驗感更好，且技術成熟，但是操縱復雜，操縱方便性差，不便于駕駛人及時操作，且換擋沖擊大，進行優化設計后可解決這一問題。

傳統的變速器可分為有級式變速器、無級式變速器及綜合變速器，應用最廣泛的是有級式變速器。有級式變速器使用齒輪傳動技術提供汽車運行需要的動力;無級式變速器的傳動比能夠實現多級變化，相比有級式變速器，具有更高的使用價值;綜合式變速器傳動效率低，在使用上具有一定劣勢1。在這三種變速器中，無級式變速器提高了發動機的負荷率，改善了汽車的加速與爬坡能力，另一方面，無級式變速器也增加了發動機在低油耗區工作的可能性，降低了油耗。因此，無級式變速器可以有效改善汽車的燃油經濟性和動力性，未來變速器的發展趨勢是無級式變速器。

2 汽車機械式變速器存在的問題

隨著制造行業的迅速發展，以提高汽車的安全性能，減少交通事故的發生為目的，一般會對傳動系統進行優化，在對傳動系統的優化過程中，主要是對傳動系統中的變速器進行優化。這樣能夠使變速器的性能得到提升，但有時其性能會達不到設計要求。因此，還需要對機械式變速器的可靠性進行優化設計，最終實現汽車輕量化的設計，確保汽車變速器性能的穩定。

傳統的機械式變速器體積較大，而且換擋沖擊大，這使汽車不容易做到輕量化。機械式變速器由于有齒輪組作支撐，每個檔位有固定的齒輪數量，因此缺少靈活性，在速度應急上有一定的劣勢。其內部是機械作支撐，機械壽命有限，需要定期檢查，否則會由于機械老化使汽車出現故障，產生安全性問題。且傳統的機械式變速器汽車具有尾氣排放控制問題，污染環境。這就是機械式變速器存在的問題。

3 汽車機械式變速器可靠性優化設計

3.1建立目標函數

汽車機械式變速器的優化方向是輕量化，但是做到輕量化的同時會降低可靠性，因此，在進行優化設計時，要同時考慮這兩方面的因素。機械式變速器的結構中包含著很多齒輪結構，用以改變換擋時的傳動比，所以，對變速器的可靠性進行優化其實就是對齒輪進行優化，并且實現其輕量化設計，其輕量化設計的實質就是縮小變速器齒輪系統的體積2。目前所見的變速器優化設計模型中，大多數目標函數為縮小齒輪系統的體積。

3.2選取設計變量

有很多因素影響了機械式變速器的設計及優化過程，因此變速器的優化過程中涉及很多參數，這是一個非常繁瑣的過程。為了簡化設計，在設計及優化的過程中只考慮影響較大的參數，并將其作為優化過程中的設計變量。

3.3 確定約束條件

機械式變速器優化設計的約束條件主要有以下幾種。

3.3.1變速器最大傳動比約束

汽車的最大爬坡度、附著率及汽車最低穩定車速決定了傳動系統的最大傳動比。因此，這三個因素就是變速器最大傳動比的約束條件。

3.3.2中心距約束

中心距對于機械式齒輪的性能存在較大影響，它決定變速器的體積大小，因此為了實現輕量化需要對其進行約束3。

3.3.3重疊系數約束

要求齒輪傳動的軸向重疊系數大于等于1以保證齒輪傳動的平穩性。

3.3.4斜齒輪可靠性約束

斜齒輪由齒面接觸疲勞強度及齒根彎曲疲勞強度進行可靠性約束。

3.3.5變速器使用性能約束

變速器的使用性能的主要影響因素是各檔傳動比，比值過大會導致換擋困難。比值過小，會造成檔位數太多，使變速器結構過于復雜復雜。這就是變速器使用性能的約束條件。

3.3.6中間軸軸向力約束

斜齒輪由于螺旋角的存在，傳遞扭矩時，在齒輪軸上存在一定的軸向力。設計時應使中間軸軸向力大致趨于平衡，又不應使軸向力完全抵消4。

3.3.7邊界約束條件

機械式變速器優化設計的邊界約束條件包括模數約束、螺旋角約束、齒寬約束及中間軸1擋小齒輪齒數約束。

4 結語

隨著人們的生活水平和經濟能力的不斷提高，人們對汽車的經濟承擔能力也越來越強，這就導致了汽車保有量的上升以及大眾對汽車各方面的質量要求也越來越高。現代科學技術發展越來越快，汽車零部件的制造工藝的優化過程也越來越完整，因此，汽車的生產制造質量也越來越高，汽車的安全性也就可以得到保障。作為在汽車傳動系統中其主要作用的部件之一，對其進行優化設計，可以提高汽車的安全性。而可靠性影響著汽車整車質量的穩定性及整車性能，所以需要在變速器的可靠性方面進行優化設計。

參考文獻：

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（作者單位：長安大學汽車學院）