汽車機械式變速器優化設計實現路徑研究

程成?李駿?伍世第?任鵬宇

摘要：變速器是汽車傳動系統的重要組成部分，其經濟性、平穩性、舒適性等性能對汽車整體性能的優劣有著顯著的影響。目前，雖然自動化變速器技術獲得了迅猛的發展，但傳統手動機械式變速器因其所具有的結構簡單、傳動效率高、成本低等優點仍舊占據著很大的市場份額。本文將對汽車機械式變速器的優化設計實現路徑進行探討研究。

關鍵詞：機械式變速器;優化設計;現狀

引言

近些年來，我國汽車工業在國民經濟中所占的比重越來越大，帶動了機械、化工、石油、冶金等一系列相關工業的發展。隨著我國經濟的發展以及居民收入水平的提高，汽車產銷量也呈現出持續增長的趨勢。變速器作為汽車的主要部件，其選用需要考慮成本、經濟性、客戶需求等多方面的因素，雖然自動變速器是未來行業發展的主流趨勢，但手工機械式變速器仍舊存在應用價值，對其優化設計進行探討對行業發展具有現實意義。

一、汽車變速器以及機械式變速器設計概述

作為汽車的關鍵系統部件，變速器的主要作用包括以下幾點：其一，改變汽車的傳動比，增大汽車轉矩和轉速范圍，從而更好的適應不同的工況，使汽車始終保持著最佳的動力性和經濟性。其二，對動力輸出方向進行改變，控制汽車前進或是倒退。其三，中斷動力輸出，使汽車在啟動和怠速等狀態下靈活切換。就目前來看，汽車變速器主要可以分為兩大類，分別是手動變速器和自動變速器。手動變速器即是指手動機械式變速器，主要是通過駕駛員操作擋桿的方式對其內部傳動力的齒輪副進行自主調整，達到換擋的目的。這種變速器的應用時間較長，因此制造工藝更為成熟，傳動效率高、平穩性強。目前，機械式變速器仍舊是大部分汽車都在使用的變速器，屬于有級變速器的范疇，其不同的擋位均具有固定的變速比。雖然機械式變速器操作起來較為麻煩，但是其擁有其他變速器所不具備的獨特功能，具體包括以下內容：其一，采用機械式變速器可以將發動機的潛能充分激發出來，產生更強大的動力，使汽車可以單純的憑借發動機實現爬坡，因此非常適合一些對牽引力要求較高的重型貨車或是大型客車。其二，機械變速器可以為駕駛員帶來更加肆意、自由、奔放的駕駛體驗，使其獲得滿足感，這對汽車產業的發展具有促進作用。其三，機械式變速器有助于提高駕駛技能，操作機械式變速器十分考驗駕駛員的實際操作能力。因此現今我國駕校的練習車采用的就是機械式變速器，目的是鍛煉學員的基本功和協調能力。自動變速器的種類更多，具體可以分為機械式自動變速器、液力自動變速器、無級變速器、雙離合器式自動變速器、電驅動自動變速器等五種。其中機械式變速器是將電子控制系統與手動機械式變速器的技術和優點相結合而形成的，具有自動化控制換擋的功能。這種變速器兼具手動機械式變速器和自動變速器的優點，具有傳動效率高、制造成本低的特點，但容易在換擋的過程中出現頓挫，影響舒適性。液力自動變速器是通過液壓對行星齒輪變速系統進行控制，優點是可以在低速時實現大轉矩輸出，性能更加平穩，缺點是加速偏慢。無級變速器是由主動輪組、從動輪組和金屬帶等部件構成，可以支持傳動比的連續變化，特點是體積小、重量輕、耗油低。不足之處在于結構復雜，對控制系統要求較高。雙離合器式自動變速器包含有兩個離合器以及配套輸入軸，其特點是在換擋時可以維持動力的無間斷輸出。電驅動自動變速器是電動汽車和混合動力汽車所采用的變速器種類，是通過電機對待嚙合齒輪的轉速進行調節，使齒輪轉速達到同步，繼而借助自動換擋操作機構進行換擋操作。

二、機械式變速器的設計特點和現狀介紹

（一）機械式變速器的設計特點

首先，機械式變速器設計的過程中必須確保其動力滿足實際需求，結合汽車工業生產狀況來看，機械式變速器多用于卡車、商用車等車型，它們對發動機的牽引力有著較高的要求。其次，考慮到機械式變速器的操作較為復雜，因此在設計中還需注重協調性和安全性，確保駕駛員在駕駛過程中能夠有效的控制。再次，機械式變速器汽車對性價比以及安全穩定性的要求較高，目的是降低駕駛員的開車強度，這也是變速器設計過程中需要考慮的問題。

（二）機械式變速器設計的現狀分析

就當前來看，在我國汽車生產過程中自動變速器技術的應用占比已經高達70%，因為其自動變速的特點符合了大多數人對操作簡便的需求，但是這類變速器卻存在傳動效率低、零部件結構復雜的問題，使得維護和保養的難度大幅度增加。而CVT變速技術的出現則為汽車變速器設計打開了一條全新的路徑，提高汽車的動力性和經濟性。在主、從輪組和傳動帶的相互配合之下，實現了可變直徑的傳遞動力作用，可以支持連續時間內的傳動比調整，提高了變速器和發動機的配合度。

三、汽車機械式變速器的優化設計

目前，汽車制造領域引入了現代化技術方法體系對其不同零部件系統和機械式變速器的設計進行優化，促進車性能的大幅度加強。在具體實施的過程中，主要是針對汽車性能及零部件結構的相關情況，從實用性和舒適性的角度進行精密的數字化計算，以此實現性能強化。針對機械式變速器的優化設計，同樣需要引入現代化技術方法，在確保其性能達到設計要求的基礎上，盡可能的降低其質量，并提高其可靠性。

（一）汽車機械式變速器涉及到的齒輪參數

其一，對齒輪參數進行確定。在機械變速器設計過程中，首先需要確定中心距和初選模數。一般來講，中心距越大，機械式變速器的重量也就越大。而齒輪的強度則與其模數大小相關，在實際工作中通常是遵循既有的公式確定初選模數，包括壓力角、齒寬。其中壓力角的大小影響著齒輪的接觸強度和抗彎強度，齒角越大，其所承擔的負載也就越高，相應的其承載力必然受到影響。在確定齒數時，需要對變位系數進行計算，利用螺旋角的斜齒輪可以達到增大齒輪重合力度的效果，不僅可以降低噪聲，還可以提高強度。想要提高齒輪的承載力，可以對其失效的深層原因進行分析，繼而針對性的對變位系數進行調整。其二，計算標準齒輪的尺寸和強度。齒輪計算涉及到的參數過多，最好的方法就是結合實際情況進行計算，需要使用到的參數包括變位系數、節圓直徑、基圓直徑、分度圓直徑等，在計算過程中，必須盡可能的確保所有參數的精確度，否則會對計算結果的準確率產生負面影響。對齒輪強度進行計算是機械式變速器齒輪有效性的一個重要方法，針對比較常見的齒輪故障或是損壞現象，如齒輪點蝕、齒輪折斷以及齒輪膠合等，必須確保齒輪面具備抗點蝕的能力，這是保障齒輪正常工作的基本前提。此外，在汽車動力傳遞的過程中，必須確保齒輪處于懸臂狀態，如此就需要在強化齒輪可靠性的基礎上遵循輕量化設計理念，提高機械式變速器的可靠性。

（二）汽車機械式變速器的設計模型

目前，輕量化設計是汽車機械式變速器設計的主要方式，其優勢在于提高汽車的可靠性。而在具體設計中，為了平衡機械式變速器輕量化設計和可靠性設計存在的矛盾，需要對這兩方面因素進行深入分析，理清二者的關系，在此基礎上做出權衡。在汽車運行的過程中，駕駛員換擋時其變速器的轉動比會發生改變，變速器齒輪系統體積縮小是輕量化設計的關鍵點。基于此，可以將機械式變速器齒輪體積之和最小作為輕量化設計的目標函數，建立其于齒輪寬度、分度圓直徑的函數模型。齒輪傳動所采用的漸開線圓柱齒輪，當其處于相互嚙合狀態時，其兩個齒輪的分度圓模數和壓力角會保持一致，而倒擋齒輪和一檔齒輪二者間取相同值的模數和螺旋角，而倒擋齒輪的體積取決于倒擋傳動比。因此在完成前進擋位齒輪設計之后，首先可以基于倒擋轉動比去計算倒擋齒輪的其他參數。之后，基于變速器擋位傳動比之間存在的關系，轉化出包含相關基本參數的函數。最后基于具體的約束條件對目標函數進行求解，實現汽車變速器系統體積的縮小，同時滿足輕量化設計和可靠性設計的要求。

（三）約束條件的確定

在汽車機械式變速器優化設計中，需要重點關注的約束條件有二：其一，變速器最大傳動比約束。汽車傳動系統的最大傳動比有著多項約束條件，如汽車附著力、最低穩定車速、最大爬坡度等，此外在路面行駛的條件下還需保障驅動輪不會出現打滑現象。其二，中心距約束條件。根據前文內容可知，中心距大小影響著變速器的質量，自然也影響著其最終體積，對其進行約束是為了滿足輕量化設計的要求。具體來講，在汽車機械式變速器設計過程中，應在確保設計強度達到要求的前提下，最大限度的降低中心距的值，此時變速器最大傳動比的值需最大，并保障發動機最大轉矩。

（四）實驗優化設計

本次研究依托的是多目標函數方法進行可靠性優化設計，即將多目標問題轉化為兩個目標的問題，進而采用常用的線性加權和法的決策方法進行求解，通過統一目標法和線性加權法將多目標函數轉化為單目標函數，最終形成評價函數。其中統一目標法具體操作是為每個目標預先設定一個期望值，之后基于系統約束條件，獲取與該期望值最相近的解。線性加權法則是基于不同目標的重要性為其賦予相應的權系數，之后對其線性組合進行尋優，最后完成多目標規劃問題的求解。在評價函數確定后，將個單元最優化值的倒數作為權系數。為了最大程度的確保優化的精度，可以借助計算機編程、VB編程語言或是多重循環的方法解決局部解和離散變量的問題。在獲得優化后的桉樹之后，應將其與優化設計前的模數、齒數、齒寬等進行比對，驗證機械式變速器齒輪系統體積是否變小、可靠性是否提高，為機械變速器系統提供數據和決策支撐。

四、結語

綜上所述，汽車所采用的變速器性能直接影響著其綜合性能，本文針對機械式變速器進行優化設計的目的是在滿足性能要求的基礎上，追求輕量化設計，提高汽車運行的可靠性，降低操作難度。基于研究內容，在具體設計中，應嚴格遵循優化程序，建構機械式變速器基礎優化模型，基于各個約束條件提高機械式變速器設計的合理性。

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