汽車機械式變速器優化設計實現路徑分析

梁博

摘要：通過針對汽車機械式變速器進行優化設計，可以有效提高其使用性能及穩定性，從而更好的滿足汽車安全行駛需求，提高車輛的駕駛安全和整體性能。為此，本文首先闡述了汽車機械式變速器的設計原則與發展現狀，之后分別針對其優化設計方法及實現路徑進行了系統化的分析與研究，并提出一些想法與建議，希望可以有效促進我國汽車機械式變速器整體性能的大幅提升。

Abstract： By optimizing the design of automobile mechanical transmission， it can effectively improve its performance and stability， so as to better meet the needs of automobile safety driving， and improve the driving safety and overall performance of the vehicle. To this end， this article first explains the design principles and development status of automotive mechanical transmissions， and then systematically analyzes and studies its optimization design methods and implementation paths， and puts forward some ideas and suggestions， hoping to effectively promote my country's automobiles The overall performance of the mechanical transmission has been greatly improved.

關鍵詞：汽車機械式變速器;優化設計;實現路徑

Key words： automobile mechanical transmission;optimal design;realization path

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0066-03

0? 引言

現如今，汽車不僅僅是人們日常出行的代步工具，更是社會經濟發展的重要保障，汽車人均保有量呈現出快速增長的態勢。在這種情況下，對于汽車整體性能及行駛安全提出了更高的要求。而機械變速器作為汽車當中的一個重要構件，其使用性能直接關系到汽車行駛速度以及行駛安全。因此，有必要針對汽車機械式計變速器開展優化設計，并且積極探索其優化設計的實現路徑，使機械式變速器呈現出更高的質量與性能，助力我國汽車行業的整體發展。

1  機械式變速器的設計現狀

現階段，自動變速器技術主要在汽車制造中應用較為廣泛。但是，該項技術雖然融合了行星齒輪組合和液力變速器的相關技術優勢，但也存在著傳遞動力效率低、零部件結構復雜、維護成本高、保養難度大等眾多弊端問題。伴隨著無級變速器的誕生與應用，在很大程度上提高了汽車的動力性和經濟性。這項技術可以在連續時間內使傳動比發生改變，從而實現與發動機之間的高效配合。液體變速器的工作原理與無極變速器的工作原理截然不同，前者具有更強的沖擊能量和吸收度。

2? 機械式變速器的優化設計

2.1 合理確定齒輪參數

在針對汽車機械變速齒輪參數進行優化設計時，主要包括以下環節：第一，確定合理的齒輪參數。設計人員依據傳遞結構、扭矩和工藝等具體情況，確定中心距和初選模數。由于機械式變速器重量會隨著中心距的增大而增加，所以模數大小對于齒輪強度存在較大影響。對此，建議借助專用公式對模數、壓力角和齒輪寬度進行科學合理的設定。而齒輪的接觸強度和抗彎強度會隨著壓力角的增大而增大，所以同樣需要借助公式完成齒角的計算，避免因齒角過大增加齒輪負載，導致齒輪承載能力下降。尤其在確定齒數時，要針對變位系數和軸承軸向力進行計算。之后，再根據計算結構確定齒輪齒數。同時，針對齒輪失效原因進行全面系統的分析，有針對性的提高其承載力，并且合理確定變位系數;第二，齒輪尺寸及強度計算。在齒輪參數設計中，會同時涉及到眾多參數，比如分度元直徑、基圓直徑、公法線長度、變位系數、節圓直徑等等。在計算時，需要采用正確并且適合的方法，方可有效保證計算結果的精準性與有效性。在判斷機械式變速器齒輪是否具備有效性時，主要依據齒輪強度的計算結果地行判斷。如果齒輪存在故障或者出現齒面點蝕、輪齒折斷、齒面膠合等問題時，要確認齒面是否具有抗點蝕能力。只有具備這種能力，該齒輪才能正常工作。在動力傳遞的過程中，需要齒輪始終處于懸臂狀態。在此基礎上，方可有效開展優化設計，并且借助此優化設計使汽車機械式變速器的整體性能獲得有效提升。

2.2 基于設計模型進行分析

在針對汽車機械式變速器進行優化設計的過程中，要優先解決機械式變速器輕量化設計與可靠性設計之間的矛盾，使二者呈現出較好的平衡關系。縮小機械式變速器齒輪的體積，是實現優化設計的有效途徑，也可以將其稱之為輕量化設計。由于機械式變速器的齒輪數量較多，所以通過針對齒輪體積之和進行輕量化設計。在下列公式中，bi表示齒輪寬度，di表示齒輪分度圓直徑：

由于機械式變速器采用的是漸開線圓柱齒輪，所以兩個齒輪在嚙合狀態下，各自的分度圓模數和壓力角相等，倒檔齒輪與一檔齒輪之間取相同數值的模數和螺旋角即可。但是，由于倒檔齒輪的體積直接受到倒檔傳動比影響，所以在開展優化設計之前，根據倒檔轉動比計算出倒檔齒輪的其他參數。在下列公式中，υ代表齒輪系體積;βi代表第i檔齒輪的分度圓柱螺旋角;bi代表五個齒輪的齒寬;mni代表第i檔齒輪法向模數，其中i=1，2，3，4，5; zi代表齒輪齒數，其中i=1，2，…，10，

在優化設計的過路中，需要以變速器各檔傳動比之間的關系作為主要設計依據，并且將公式轉換成表達式為：F（x）=V。

當設計變量確定之后，便可以制訂各種約束條件。在此基礎上，進行目標函數的求解，達到縮小汽車機械式變速器齒輪系統體積和輕量化設計的目的。在實際設計的過程中，由于變速器存在眾多技術參數和諸多影響因素，直接加大了機械式變速器設計的復雜程度和整體難度。為此，本文以探尋優化設計思路為目的，只針對那些主要參數的優化設計變量進行探究，如公式：x=[x1，x2，x3…x17]T=[i1，i2，i3，z1，z2，mn1，mn2，mn3，mn4，β1，β2，β3，β1，β2，β3，β4]T

2.3 確定優化設計的約束條件

2.3.1 變速器最大傳動比約束條件

對于汽車傳動系統最大轉動比而言，存在眾多約束條件，例如汽車附著力、最低穩定車速及最大爬坡度等等。只有針對這些參數進行優化設計與合理設定，方可確保車輛在行駛過程中不會出現驅動輪打滑現象，減少其安全風險隱患。下列三個公式是以驅動輪與路面的附著條件為依據，確定相關約束條件。在下列三個公式當中，i0表示主減速器傳動比，i1表示變速器1擋傳動比，約束條件以最大爬坡度為依據具體如式與i1相乘得到最大傳動比[1]：

下列公式是根據最大爬坡度為依據所得出約束條件。在此式當中，m所代表的是汽車總質量;amax代表的是汽車最大爬坡度;rr代表車輪的滾動半徑;f代表的是道路滾動阻力系數，轎車的道路滾動阻力系數為f=0.0165+0.0001（Vmax-50）;L代表的是汽車軸距;φ表示驅動輪和路面的附著系數;Fn代表的是驅動輪上法向反作用力;ηT傳動系機械效率（取值為0.835）;Tcmax代表的是發動機最大轉矩：

2.3.2 中心距約束條件

變速器的體積大小主要取決于中心距的最終設定。因此，在針對汽車機械式變速器進行優化設計時，要著重針對中心距約束條件進行合理設定，以此來達到輕量化設計要求，同時滿足設計強度要求。在優化設計的過程中，要最大程度降低中心距A的數值，以此來擴大變速器最大傳動比的數值，還要以取得最大化的發動機轉矩為目的，對設計方案進行綜合考慮。其公式共有以下三種：

如果齒輪的傳動軸向重迭系數為：εβ=bsinβ/πmn≥1。那么，則意味著可以保證齒輪的平穩性，進而得出下列約束條件公式：G17=πmni-bsinβi≤0。

對于轎車而言，模數約束mni的取值范圍以2.25-3.0之間為宜;而螺旋角約束的中間軸式變速器βi的取值范圍以22～34°之間為宜;齒寬約束b1的取值范圍以7.0mni或者8.6mni最為適宜;當常嚙合齒輪副處于傳動狀態時，齒寬不得小于其他齒輪副齒寬，即b1≥bi，i=2，3，4，5。只有這樣，才能保證車輛傳動系統具備較高的平穩性，同時使齒輪具備理想的使用壽命[2]。

3? 實驗優化設計及結果

為了保證汽車機械式變速器優化設計的可靠性與科學有效性，本文采用的是多目標函數法探索具體的優化設計途徑，并且將多目標問題歸結為二個目標問題。然后，再采用線性加權和法以及決策方法進行求解。其中，目標函數主要通過統一目標法，即：針對每一個目標事先擬定一個期望值，在以滿足這一期望值為目標，找到與期望值最接近的解。此外，還應用了線性加權法。其具體應用策略為：先按各個目標的重要性賦予其相應的權系數，然后再針對其線性組合進行多目標規劃問題求解。通過將其轉換為單目標函數，最終形成一個評價函數，權系數為各單元最優化值的倒數。如果兩個目標函數的加權系數分別用W1和W2表示，兩個目標函數的最優值分別用F1*（X）和F2*（X）表示，分別得出以下三個公式：minF（X）=W1F1（X）+W2F2（X），W1=1/F1*（X），W2=1/F2*（X）

為了最大限度提高優化程度，筆者建議在優化設計中采用VB編程語言和多重循環方法。通過這種方式，使局部解及離散變量等問題得到有效突破。在實際優化設計的過程中，優先針對F1*（X）和F2*（X）進行優化，并由引獲取加權系數W1和W2，針對各檔傳動齒輪進行優化設計時，建議運用統一目標函數進行設計[3]。其優化結果如表1所示。

通過表1當中的數據可以看出，經過優化設計之后，第i檔當中的齒輪分度圓柱螺旋角由βi、齒輪法向模數mni、齒輪數Z、齒輪寬度b的數值均呈現出不同程度的下降。與優化之前相比，模數、齒數、齒寬的數值均有所縮減，此結果足矣證明，各項優化參數設置達到了優化設計的目的，尤其從變速器齒輪系體積的上看，經過優化設計之后已經明顯降低。這就意味著汽車機械式變速器的可靠性及平衡性將獲得顯著提升。不僅體現出優化設計的綜合價值，更為變速器系統的后續發展提供了參考數據與決策支持[4]。

4? 結語

為了推動汽車產業的可持續發展，不斷提高汽車驅動控制器的整體性能，使其更好的滿足車輛安全行駛需求。有必要采用科學合理的方式針對汽車機械式變速器進行優化設計。與此同時，積極探索汽車機械式變速器優化設計的實現路徑，通過這種方式，針對優化之后的模數、齒數、齒寬、螺旋角等各項約束條件進行檢驗，確保機械式變速器設計的有效性與合理性，使其在實際應用中呈現出更加穩定優質的性能。

參考文獻：

[1]王晨.汽車機械式變速器優化設計實現路徑初探[J].內燃機與配件，2021（02）：7-8.

[2]林梅，李敏，李曉可，李紅梅，張霞.汽車機械式變速器優化設計實現路徑分析[J].南方農機，2020，51（19）：103-104，106.

[3]王彥婷，武欣，張龍列.汽車機械式變速器優化設計實現路徑分析[J].內燃機與配件，2020（14）：5-6.

[4]劉怡然.汽車機械式變速器優化設計實現路徑分析[J].南方農機，2019，50（24）：32.