汽車機械式變速器可靠性優化設計

楊俊杰

摘要：在社會經濟飛速發展中，人們物質生活條件越來越好，在此過程中汽車數量也隨之增多，同時獲得迅猛發展的還有各項汽車技術，作為汽車內部不可或缺重要構件之一的變速器，其在汽車技術發展階段中也形成了機械式變速器這一產物，這也標志著汽車技術性的改革。要充分發揮機械式變速器提升汽車加速穩定性的優勢，就需要進一步優化機械式變速器可靠性設計。本文筆者就汽車機械式變速器可靠性優化設計相關問題展開論述，旨在最大化提升機械式變速器可靠性，確保汽車整體性能。

關鍵詞：汽車;機械式變速器;優化設計

運行中的汽車基于發動機的核心作用帶動其內部各系統，多系統之間相互協調，保證汽車運行的穩定性。變速器在控制汽車行駛速度環節中有著至關重要的作用，通過變速器的協調作用來改變汽車內部結構配置，從而調整汽車速度。所以，一定要注重汽車機械式變速器設計內容中的可靠性設計，最大化的滿足汽車行駛過程中的變速需求，實現汽車整體性能優化。

1 汽車機械式變速器及優化設計問題

1.1 機械式變速器設計原理

行駛過程中的汽車發動機處于大動率運行狀態，這也意味著發動機的運行效率非常高，發動機變速器的功用主要有：①改變汽車行駛速度和牽引力;②讓發動機在最有利的工況下工作;③改變驅動輪旋轉方向;④實現空擋以及驅動其他機構。整體而言，變速器有手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手動/自動變速器（A/MT）和無級變速器（CVT）這四種分類，自動變速器中最常用的液力自動變速器，可根據油門開度與車速變化自動換擋[1]。無級變速器是自動變速器的一種，具有油門反應快、油耗低的特點。

機械式變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數是固定的，所以各檔的變速比是個定值（也就是所謂的“級”）。比如， 一檔變速比是3.85，二檔是2.55再到五檔的0.75 ，這些數字再乘上主減速比就是總的傳動比，總共只有5個值（即有5級），所以說它是有級變速器。

1.2 機械式變速器可靠性優化設計問題

車體外形動力設計與汽車表示外形設計可以作為汽車機械式變速器設計的參考信息，汽車機械式變速器設計是以汽車單元系統為核心展開的，起點為汽車動力系統，要確保汽車動力系統能夠合理的提供汽車運行所需動力輸出。汽車行業在全新的發展形勢下有以下四個方向，即車體輕量化、車體科技化、汽車低耗能和汽車低排放，在汽車制造中應用機械式變速器的優勢體現于其能確保汽車發動機功率輸出的平穩性、確保汽車變速的安全性以及確保汽車變速的平滑性[2]。機械式變速器可靠性優化設計工作具有一定復雜性，期間牽涉的內容非常多，設計人員一定要從整體角度考慮布局合理性。不過由于相關技術的限制，此前汽車機械式變速器可靠性優化并不能完全按照既定的技術進行，最終效果始終達不到設計理論的要求。

2 汽車機械式變速器可靠性優化設計

2.1 變速器整體優化設計

可靠性與輕量化是汽車零部件設計中最為矛盾的兩個關系，如若能平衡這兩個設計要求，也算是實現變速器整體優化的一個目標了。針對汽車機械式變速器設計中平衡可靠性與輕量化的問題，關鍵在于傳動變化和齒輪換擋，尤其是變速器整個齒輪系統的體積對上述兩點有著明顯的影響。因此，變速器設計中輕量化設計板塊的目標函數最好選擇變速器齒輪體積的最小值，處于傳動狀態中的變速器齒輪系統主要為漸開線圓柱齒輪設計。那么在具體設計環節中，要保證互相嚙合的齒輪擁有一樣的分度圓模數和分度圓壓力角，同時保證倒擋齒輪與一檔齒輪擁有一樣的螺旋角和模數[3]。從某種角度來說，倒擋傳動比控制著變速器倒擋齒體積，所以在設計過程中，結束前進擋齒輪設計后就要圍繞倒擋傳動比計算其他作用參數。歸納一下就是，先確定設計變量，然后在建立約束條件的基礎上完成目標函數設計。

2.2 變速器齒輪優化設計

2.2.1 把控變速器齒輪模數與壓力角

在優化變速器齒輪設計的進程中，與齒輪關聯性最強、影響最大的就是壓力角和齒輪模數。齒輪模數數量越多，則齒輪厚度值就越大，所以要想確保齒輪的可靠性、實用性，在設計環節就要對模數做到嚴格控制，讓每個變速器齒輪相互間都對應著與之匹配的模數。對壓力角數值有關聯的除了點離基圓的距離以外，還有漸開線，所以關于壓力角的選擇一定要全面的分析漸開線運動方向和有關的受力分析，每一個相關因素都要考慮在內，才能實現最優化的壓力角選擇。

2.2.2 確定好齒輪寬度與螺旋角度

就理論層面而言，分度圓直徑數值和齒輪寬度系數相乘之數即為機械式變速器的齒輪寬度。但是，在具體設計過程中為了全面考慮齒輪的穩定性與可靠性，有必要有選擇性的調整汽車變速器本身的體積、質量，通常調整內容是適當降低相關數值。此外，還需要綜合考慮承載能力，最好能得到精確計算后的結果，而關于螺旋角度的確定，既要在國際通用范圍內，還要合理的控制傾斜程度，兩個條件均滿足后才能最大化發揮斜齒優點。

2.2.3 保證齒輪修正工作質量

齒輪設計前，就要嚴格遵照國際通用標準，完成設計后也需要圍繞國際通用標準再次檢查各項參數與強度。就正式設計前，最好提前結合有關的國際通用計算方法和標準，得出精確的齒輪縱向尺寸與軸向尺寸。因為齒輪性能將在很大程度上影響到變速器質量，所以為了讓機械式變速器可靠性得以提升，一定要高度重視齒輪設計的科學性，這里的關鍵就在于齒輪修正，修正工作是確保齒輪體現最佳性能的重要環節。

2.3 變速器可靠性優化設計

針對目標優化函數設計，需要靈活使用相關數學軟件才能實現設計目標。比如，應用Matlab6.5工具箱中的fmincom函數來處理非線性約束條件的優化問題，有關設計人員最好在一個文件中集中約束條件、目標函數等，有針對性的從中獲取約束條件即可，同時編寫其他變速器齒輪系統限制條件，構建多目標多元化的非線性函數[4]。另外，以輕量化為基礎的模型設計，通過對比多目標優化設計函數即可驗證汽車機械式變速器的可行性。據有關數據分析得知，基于可靠性、輕量化的復合優化設計能大大縮小變速器齒輪系統體積，并提升系統可靠性。

2.4 變速擋位優化設計

2.4.1合理把控變速器檔數

相關設計人員可在允許范圍內適當上調機械式變速器檔數，從最初設計上增加檔數來促使汽車發動機發揮最大功率的有效價值，與此同時讓汽車獲得更為充足的運行動力，強化變速能力，從而實現汽車機械式變速器可靠性優化目標。不過變速器檔數不可無限制的上調，當機械式變速器自身結構過于復雜時，就會增加駕駛難度，降低車主使用性和體驗感。

2.4.2精確計算檔位傳動比

不同的汽車型號必然對應著不同的檔位傳動比，比如小型貨車檔位傳動比范圍通常在6-8之間，載重較大的大型貨車檔位傳動比通常為8，載重偏小的小轎車檔位傳動比范圍通常在2-5之間。因此，在計算擋位傳動比的環節匯總，要立足于汽車的具體信號以及真實使用情況考慮，盡可能保證機械式變速器性能的可靠性和穩定性。

3 結語

總而言之，汽車機械式變速器是市面上絕大部分汽車使用的變速器類型，目前混動技術中已經出現了電動機與機械式變速器一體化技術，所以關于機械式變速器的設計細節和設計方式有待進一步思考、細化和判斷，從多個不同的角度去優化機械式變速器，達到提升機械式變速器可靠性優化設計的目的。

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.

[2]陳芳.基于可靠性的汽車機械式變速器變速傳動機構設計[J].微型電腦應用，2020，322（02）：142-144.

[3]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，2019，050（010）：157.

[4]李時蕾.汽車機械式變速器優化設計實現路徑分析[J].微型電腦應用，2019，35（05）：143-145.