車輛機械式變速器多目標可靠性優化設計

劉磊?柳運燦?皮原笛

摘要：目前中國汽車機械式變速器的設計應用還存在一定的缺陷，對車輛的質量造成了一定的影響。為了提高汽車機械式變速器的性能，使其能夠滿足安全形式的要求，文章對車輛機械式變速器的多目標可靠性優化設計進行了研究，以供參考。

關鍵詞：車輛;機械式變速器;多目標;可靠性;優化設計

人們生活水平的提高以及科學技術的不斷進步，推動了中國汽車行業的發展。目前在人們的日常生活當中，汽車已經成為了不可缺少的主要出行工具，人們對汽車的性能和使用安全等的要求也逐漸提高。而在汽車結構當中，變速器有著非常重要的作用，其對汽車的性能、行駛速度等有著直接的影響。因此，為了能夠保證汽車的性能，提高汽車的壽命和安全性，就必須要保證變速器的高質量和高性能。

一、機械式變速器設計的特點研究

首先要保證設計的機械式變速器的動力能夠達到設計的目標，滿足實際的需要。機械式變速器一般應用于卡車和商業車當中，所以應對該類車的實際應用情況進行考慮，保證機械式變速器能夠與發動機相配合，為車提供足夠的牽引力，讓其承擔重力和高壓的能力得到增強。其次應提高機械式變速器的協調性，目前駕校內使用的教練車一般都是機械式變速器形式，其擁有較高的安全性，才能保證學車者在練車的過程中能夠對車輛進行有效的控制。最后機械式變速器汽車擁有較高的安全性、穩定性和性價比，并且價格較低，比較實惠。

二、汽車機械式變速器優化設計研究

對汽車機械式變速器進行優化設計一般采用現代化先進、科學的方法，以此提高汽車的性能，并有效針對汽車的零部件結構等內容，與更加緊密的數字化計算相結合，進一步提高汽車的安全性、穩定性以及舒適性。

（一）優化設計齒輪參數

1.確定齒輪參數

首先應該確定中心距和初選模數，因為機械式變速器的自重會因為中心距增大而不斷增加，所以齒輪的強度會受到較大的模數影響，因此一般采用公式初選確定相應的模數參數。其次應該確定壓力角和齒輪的寬度，因為壓力角增大，會提高齒輪接觸和抗彎的強度，根據公式對其進行計算發現，當齒角過大時，會在一定程度上增加負載，從而將齒輪的承載力降低。最后應該確定齒數，計算變位系數，通過利用螺旋角的斜齒輪可以加大齒輪的重合力度，不僅能夠降低產生的噪音，還能提高強度，然后再計算軸承上產生的軸向力，最終確定齒數，并分析齒輪實現的原因，采取有效的措施將其承載力進一步提高。

2.計算齒輪尺寸及使用強度

因為齒輪參數量相對較多，所以必須完全依照實際的情況計算齒輪參數（比如變位系數、分度圓直徑、公法線長度等），保證計算的準確率。

要想判斷機械式變速器的齒輪有效性，一般可以采用計算齒輪強度的方法進行。當齒輪出現故障和損壞的情況時，齒輪往往會出現折斷、膠合等現象，需要提高齒面的抗點蝕能力，才能保證齒輪能夠正常運行。應用相應的公式（兩個彈性圓柱體接觸面公式）可以知道，動力在傳遞的過程中，齒輪需要保持在懸臂的狀態，以便在提高齒輪可靠性的同時，最終實現輕量化的優化設計工作，進一步提升汽車機械式變速器的可靠性。

（二）分析機械式變速器設計的模型

由于現在輕量化設計是目前的主要設計方向，所以在實際的優化設計過程中，經常會采用輕量化設計，但是在一定程度上降低了汽車的可靠性，降低汽車出現故障的概率。為了將機械式變速器輕量化和可靠性設計之間存在的矛盾有效解決，在進行設計時需要充分考慮并權衡兩者之間存在的關系，在換擋的過程中應該對應改變變速器的轉動比。在輕量化設計當中，縮小變速器齒輪系統的體積是最重要的內容，所以可以將齒輪系統中的齒輪體積之和作為目標函數，將齒輪的寬度由bi表示，齒輪分度圓直徑由di表示，可以得到：

v=n4Σ101bid2iv=n4Σ110bidi2 （1）

因為齒輪的傳動采用的齒輪類型為漸開圓柱型齒輪，當齒輪的分度圓模數與壓力角的狀態為咬合時，倒擋與一檔的齒輪之間會取相同的模數值以及螺旋角，倒擋傳動比會直接影響倒擋齒輪的體積，所以在對前進擋位齒輪設計完成之后，可以依據倒擋轉動比計算獲得倒擋的其他參數情況。通過明確設計變量，從而完成構建約束條件，求解目標函數，從而縮小汽車機械式變速器系統的體積，讓汽車的輕量化設計與可靠性設計都能同時滿足。

（三）明確約束條件

1.最大傳動比的約束研究

約束汽車傳動系統最大轉動比的因素相對較多，比如最大爬坡度以及車輛的附著力等，汽車在路面上行駛不能出現打滑的現象。設定主減速器的傳動比為i0，一檔傳動比用i1表示，二者的乘積將為最大的傳動比，將驅動輪和路面的附著條件作為約束條件，可以得到：

G3（X）=i1?FnΦrrTemaxi0ηT≤0G3（X）=i1-FnΦrrΤemaxi0ηΤ≤0 （2）

式（2）中，rr表示車輪的滾動半徑;Φ表示驅動輪和路面附著條件;Fn表示驅動輪上法向反作用力;表示傳動系機械效率，一般其取值為0.835;Temax則表示汽車發動機最大轉矩。

三、結語

隨著社會經濟的不斷發展，人們的生活質量和生活水平得到提高，人們對汽車的使用安全性、穩定性和可靠性的要求越來越高。而車輛機械式變速器是影響汽車穩定性的重要因素，要想車輛機械式變速器的可靠性得到優化設計，就必須明確進行優化設計的實現路經，嚴格控制好優化的程序，構建車輛機械式變速器基礎優化的模型，并確定中心距、齒輪寬度、齒輪數量等約束條件，將車輛機械式變速器設計的合理性進一步提高，以保證機械式變速器的穩定性能，讓其能夠滿足安全行駛的需求。

參考文獻：

[1]李淑廷，李英，許春平，等.汽車機械式變速器多目標可靠性設計分析[J].現代經濟信息，2019，34（18）：363.

[2]黃瑾媛.汽車機械式變速器的可靠性優化設計研究[J].南方農機，2019，50（10）：157.

[3]賈冉.汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性優化設計[J].山東工業技術，2017，36（6）：288.

[4]梁兆祥.汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化[J].山東工業技術，2016，35（20）：287.

作者簡介：

劉磊 柳運燦 皮原笛，臨沂大學。