汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

趙杰

山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原，030000

0 引言

汽車行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)了汽車自身的進(jìn)步，變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在一定程度上決定了汽車在駕駛過程中的平穩(wěn)性以及動(dòng)力，為了符合汽車行業(yè)不斷發(fā)展的需求，汽車變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一直在不斷地優(yōu)化中，以實(shí)現(xiàn)汽車駕駛的可靠性。

1 汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化意義

汽車機(jī)械式變速器的主要功能就是在汽車行駛過程中充當(dāng)駕駛員的杠桿對相應(yīng)的齒輪位置進(jìn)行變動(dòng)從而達(dá)到變速的效果，變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就是利用這一點(diǎn)來操縱變速箱中不同齒輪進(jìn)行變速。將主減速器加入到變速傳動(dòng)系統(tǒng)中，能夠有效地將主減速器與變速箱功能進(jìn)行融合，以此達(dá)到不同環(huán)境下對于汽車的減速和牽引功能。因此，汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要的就是足夠的可靠性，能夠讓變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)達(dá)到預(yù)想的目標(biāo)。要讓汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)足夠的可靠性，就需要考慮到機(jī)械變速系統(tǒng)的時(shí)間、成本以及質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)，整合所有對變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可能造成影響的因素加以考慮，從而實(shí)現(xiàn)對于汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性優(yōu)化，使汽車在不同環(huán)境情況下平穩(wěn)、安全地行駛。

2 汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性分析

2.1 變速齒輪的體積影響分析

齒輪在變速系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，是能夠影響最終變速系統(tǒng)核心效果的因素之一。在設(shè)計(jì)時(shí)一般盡量做到成本低、體積小、重量輕的齒輪，因?yàn)辇X輪的體積決定了變速箱的體積，將齒輪的體積縮小能夠減輕汽車整體的重量，使汽車的重量更加均勻地分布在車身上，從而增強(qiáng)汽車的穩(wěn)定性[1]。在設(shè)計(jì)方面，除了考慮到齒輪的體積問題之外，還可以將齒輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，以空心結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣會(huì)降低設(shè)計(jì)齒輪時(shí)的難度，加快設(shè)計(jì)效率。由于變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行主要都是通過齒輪之間的咬合轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行的，所以對于齒輪邊緣齒上的重合度要做到最高，提高齒輪工作時(shí)的咬合力，增大整個(gè)變速傳動(dòng)系統(tǒng)對于汽車行駛過程中的控制力以及承載能力，還可以降低工作時(shí)的噪音。

2.2 變速器軸的可靠性分析

變速器軸是變速傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要連接部分，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力的有效輸送。由于變速器軸的功能，其結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，變速器軸的構(gòu)成包括軸肩段、過渡段、齒輪安裝段以及軸頸段。由于其傳遞應(yīng)力的特性，變速器軸的材料選取時(shí)應(yīng)注意剛度，各個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了變速器軸的結(jié)構(gòu)需要具有穩(wěn)定性。因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)變速器軸的時(shí)候應(yīng)該重點(diǎn)注意這兩點(diǎn)，可以通過降低變速器軸的質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定度，之后將這兩個(gè)度作為變速器軸的主要可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)因素。

2.3 花鍵的可靠性分析

花鍵作為汽車變速傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部分也具有很重要的作用。花鍵同樣具有邊齒，但是和齒輪相比，花鍵的齒根較淺，比較適合應(yīng)用于多齒輪的結(jié)構(gòu)，能夠有效承載多齒輪的工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)最終性和導(dǎo)向性。由于花鍵的齒比較淺而且體積較小，因此花鍵的應(yīng)力效果不高，有利于保持變速器軸的剛度。花鍵作為齒體積相對較小的結(jié)構(gòu)，需要在不同的環(huán)境以及其他部件不同的情況下進(jìn)行受力情況的分析，從而得出最適合花鍵的可靠性分析。

2.4 軸承在汽車變速中的可靠性分析

軸承在汽車機(jī)械式變速傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中起到很重要的作用，軸承大多起到支撐的作用，會(huì)受到各種不同程度的荷載。軸承的類型多種多樣，有向心球軸承、滾針軸承以及徑向球軸承等。一般在第一軸上可以采用向心球軸承，在變速器軸的第二軸前端會(huì)使用滾針軸承[2]。通過對軸承可靠性的分析，有利于提高軸承對于汽車整體的支撐能力，從而使汽車系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中要考慮到軸承的磨損毀壞問題，并對軸承的荷載進(jìn)行改動(dòng)，以防軸承在實(shí)際使用過程中的動(dòng)能荷載能力出現(xiàn)問題。

3 汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 齒輪參數(shù)確認(rèn)調(diào)整

在齒輪參數(shù)確認(rèn)的過程中要對其他的變量進(jìn)行測量確認(rèn)，包括中心距離以及模數(shù)。由于機(jī)械式變速器的重量是一個(gè)因變量，會(huì)隨著中心距離的增大而產(chǎn)生正向變化，從而導(dǎo)致模數(shù)的變化，這會(huì)導(dǎo)致齒輪最終的數(shù)值強(qiáng)度無法確定。因此，在進(jìn)行齒輪參數(shù)的確認(rèn)時(shí)，最好通過公式確認(rèn)模數(shù)，保證齒輪的強(qiáng)度。齒輪參數(shù)還可以通過壓力角以及齒角的數(shù)值進(jìn)行確認(rèn)，壓力角的數(shù)值變化和齒輪的后續(xù)齒抗彎程度相關(guān)并呈現(xiàn)正向關(guān)系，也就是壓力角越大，后續(xù)齒抗彎的能力也就越強(qiáng)[3]。在齒角相對較大的時(shí)候，荷載的重量就會(huì)增加，從而降低齒輪的荷載能力。在選擇齒輪時(shí)一般會(huì)選擇斜齒輪，因?yàn)樵擙X輪的重合度較高，能夠最大程度地保證汽車行駛過程中的穩(wěn)定性以及承載力，還可以減少噪音。但由于斜齒輪的參數(shù)一般為整數(shù)，所以在進(jìn)行初選模數(shù)時(shí)要滿足國際管理標(biāo)準(zhǔn)，如果嚙合齒輪無法提供有效的公因數(shù)，就需要構(gòu)建齒輪模型，再進(jìn)行齒輪參數(shù)的處理。

在進(jìn)行齒輪其他參數(shù)的處理時(shí)，還要根據(jù)汽車內(nèi)部實(shí)際情況切實(shí)計(jì)算分度圓直徑、變位系數(shù)等數(shù)值。齒輪在汽車行駛過程中有所損壞是很正常的事情，但是要對齒輪損壞情況進(jìn)行分析，提高齒輪輪面的抗壓抗腐蝕能力，保持懸臂狀態(tài)下的應(yīng)力傳輸，保證齒輪的可靠性提升。

3.2 部件可靠程度分配

變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括變速齒輪、變速器軸、花鍵以及軸承，這些部件的可靠性應(yīng)有不同的分配標(biāo)準(zhǔn)和分配數(shù)值，以達(dá)到將變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的重量減輕、降低成本的效果。關(guān)于這些部件的可靠性最佳具體分配要根據(jù)不同的部件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對于變速齒輪的可靠性程度分配中，接觸強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度參數(shù)是主要參數(shù)；對于變速器軸的可靠性程度分配中，要考慮的主要參數(shù)是軸疲勞剛度以及強(qiáng)度；對于花鍵的可靠性程度分配中，考慮的是花鍵疲勞強(qiáng)度；軸承則不做可靠性程度的分配以及參數(shù)計(jì)算，因?yàn)檩S承的成本及更換花費(fèi)都很低。最后要得出幾個(gè)部件的可靠度分析就可以將以上的所有參數(shù)相乘，以此來得出合理的部件可靠性程度具體數(shù)值。

在進(jìn)行參數(shù)分析以及可靠性程度分配之后，可以通過概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算整體變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。對于零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立，最先還是要確認(rèn)目標(biāo)函數(shù)數(shù)值。該數(shù)值的算法為初始值的選取，一般為零部件的體積或尺寸，比如對變速齒輪進(jìn)行體積數(shù)值的選取以及重合度數(shù)值的選取，之后按照這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行體積最優(yōu)化以及重合度的最優(yōu)化，以此得出兩種因素的最優(yōu)值，并從最優(yōu)值中得出體積以及重合度的權(quán)系數(shù)，將兩個(gè)權(quán)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，最后得出最優(yōu)值，從而建立起變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

3.3 約束中心距

在可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型建立之后，要對零部件的變量做出選擇和統(tǒng)計(jì)。比如在變速齒輪的變量選取上，就會(huì)選取相對來說對可靠性影響較大的體積以及負(fù)荷。齒輪的體積越小，就越有利于汽車整體的穩(wěn)定性以及行駛過程中的速度控制。而齒輪的負(fù)荷能力主要體現(xiàn)在多個(gè)齒輪的共同工作過程中，所以適當(dāng)減少單個(gè)齒輪的負(fù)荷能力，不僅可以保持齒輪的剛度、減少摩擦，還可以提高變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性并減小噪音。但是在進(jìn)行變量的設(shè)計(jì)之后還需要確定一些約束條件，以使可靠性分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果范圍更加精準(zhǔn)。第一種約束就是中心距的約束，中心距的數(shù)值能夠影響變速器的重量以及體積，中心距越大，變速器的體積以及重量也會(huì)越大，所以在具體的可靠性數(shù)值計(jì)算的時(shí)候，要對中心距進(jìn)行約束，以此來保障中心距以及可靠性程度的最終計(jì)算結(jié)果能夠應(yīng)用到實(shí)際中，具有實(shí)際意義。要對中心距進(jìn)行約束，需要對轉(zhuǎn)矩以及傳動(dòng)

比進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為：將傳動(dòng)系的機(jī)械效率（一般為0.835）與檔位上的傳動(dòng)力設(shè)置相乘并開三次方，得出的數(shù)值與中心距相乘，最終得出中心距的約束數(shù)值[4]。以變速齒輪為例，常規(guī)狀態(tài)下，齒輪的寬度需大于副齒輪的寬度，這樣才可以對中心距進(jìn)行有效地約束。除此之外，還需要對傳動(dòng)比進(jìn)行約束，因?yàn)樽畲髠鲃?dòng)比的影響因素很多，比如汽車附著力以及最大附著度。所以可以從汽車的傳動(dòng)比進(jìn)行條件設(shè)置，將車輪式機(jī)滾動(dòng)半徑同附著性條件以及驅(qū)動(dòng)輪上方反作用力進(jìn)行互乘，得出的數(shù)值除以汽車實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與主減速器的傳動(dòng)比之積，得出的數(shù)值再被另一檔的傳動(dòng)比減去，即可得出最大傳動(dòng)比的約束值，且得出數(shù)值小于等于0，其中驅(qū)動(dòng)輪上方反作用力一般為0.835。本文以最大轉(zhuǎn)矩153N·m為例，進(jìn)行了相關(guān)齒輪的中心距的計(jì)算，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 約束中心距計(jì)算

3.4 連接可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

在變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，每個(gè)部件都有十分重要的作用，汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正是由這些重要的零部件組合而成的完整整體，所以要實(shí)現(xiàn)汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性，就需要將所有汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的各部分進(jìn)行合理的連接以及完美發(fā)揮各部分功能。在進(jìn)行零部件的整體連接過程中，要從零部件的具體情況出發(fā)進(jìn)行連接優(yōu)化。比如對于變速齒輪，就要考慮到其體積大小、尺寸大小以及齒輪在應(yīng)用過程中的耐久度以及荷載能力等因素，根據(jù)這些參數(shù)才能進(jìn)行變速齒輪的連接。

每個(gè)部件都需要使用連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，繼而保證整體的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在考慮到每個(gè)零部件的具體參數(shù)時(shí)，還要將所有零部件的參數(shù)都進(jìn)行整合，不能片面地只考慮到單個(gè)零件。要以全面的參數(shù)條件去進(jìn)行整體汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的連接。整個(gè)連接的過程是很復(fù)雜的，因?yàn)榱慵膮?shù)會(huì)產(chǎn)生變化，而且各個(gè)不同零件的參考參數(shù)也各不同。比如變速曲軸的參數(shù)是軸剛度、軸穩(wěn)定度以及磨損程度，但是對于花鍵來說參數(shù)的范圍就是疲勞強(qiáng)度。因此要在零部件的連接這樣復(fù)雜多變的情況中實(shí)現(xiàn)可靠的有效連接，需要連接結(jié)構(gòu)的幫助，一般會(huì)使用如鉚釘、螺母、鍵等固定件進(jìn)行連接。要保證連接后的連接結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性、零件位置準(zhǔn)確、連接位置在工作過程中運(yùn)行順利。對于連接結(jié)構(gòu)來說，由于要連接的零部件共同運(yùn)行起來會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的負(fù)載，因此還要確認(rèn)并增強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)對于零部件正常工作時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載承受能力。可以使用鉆孔或者加工槽位的方法對連接結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行評估判斷。要時(shí)常檢查連接結(jié)構(gòu)的磨損程度以及緊湊程度，以此保證連接結(jié)構(gòu)的可靠性。

3.5 變速器軸可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

在汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，變速曲軸一直都是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的。可以分為軸肩段、軸頸、中間軸等。變速器軸一般都在汽車變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中起到承載壓力的作用，因此對于變速器軸的可靠性優(yōu)化也應(yīng)該側(cè)重承載能力方面。應(yīng)該對變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體的中心距進(jìn)行調(diào)整，使其在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，由于中心距越大，變速箱的重量也就越大，因此要適當(dāng)減少中心距，使變速箱的重量減輕。在對于其他零部件的構(gòu)造選擇時(shí)，也盡量以重量輕的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行，減輕整體的變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，達(dá)到減輕變速器軸負(fù)載的目的。還可以通過對變速箱的箱體進(jìn)行加筋優(yōu)化，這樣不僅可以提升箱體剛度，還可以提高固有頻率，從而達(dá)到降低箱體振動(dòng)的目的[5]。在變速曲軸的工作過程中，曲軸接收到應(yīng)力，并在之后將這些應(yīng)力傳送到變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，通過變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪將動(dòng)力傳輸?shù)捷敵鲚S，最終完成這一系列的工作過程。在此過程中，由于變速曲軸需要承載來自發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)力，所以曲軸軸面的各個(gè)角度的數(shù)值都很重要。曲軸各個(gè)方面的角度都會(huì)影響到最終變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整體的可靠性程度。要保證變速曲軸的可靠性在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，就需要將曲軸中階梯軸利用起來，利用階梯軸完成截面軸的作用。在變速曲軸的可靠性的增強(qiáng)和維持中，要詳細(xì)分析不同軸具體作用、受力參數(shù)、角度等因素，優(yōu)化曲軸中轉(zhuǎn)矩、彎矩以及軸徑的設(shè)計(jì)，繼而提高變速曲軸的可靠性。

4 結(jié)語

汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對于汽車整體的行駛來說是非常重要的。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠有效地控制汽車行駛中的速度變化，提升汽車整體的穩(wěn)定性以及使用壽命。雖然現(xiàn)在機(jī)械式變速器的市場受到了一定的沖擊，但機(jī)械式變速器仍然是當(dāng)今市場上的主流變速器，所以在機(jī)械式變速器的可靠性方面，仍然需要進(jìn)行不斷地提升以及優(yōu)化，做到變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性程度保持穩(wěn)定。