汽車機械式變速器的可靠性優化設計研究

林浩

摘 要：汽車運行中通過內部系統互相協調，基于發動機作用下帶動整個汽車前行，變速器對于汽車運行速度控制具有重要作用。文章先分析了汽車機械式變速器，隨后介紹了汽車機械式變速器可靠性優化設計，最后介紹了汽車機械式變速器多目標可靠性優化設計，包括可靠度分配、設計變量選擇、可靠性設計，希望能給相關人士提供有效參考。

關鍵詞：汽車機械式 變速器 可靠性 優化設計

Research on Reliability Optimization Design of Automotive Mechanical Transmission

Lin Hao

Abstract：The transmission plays an important role in the speed control of the automobile through the coordination of the internal system during the operation of the automobile and driving the whole car forward based on the action of the engine. This paper first analyzes the automotive mechanical transmission， then introduces the reliability optimization design of the automotive mechanical transmission， and finally introduces the multi-objective reliability optimization design of the automotive mechanical transmission， including reliability allocation， design variable selection， and reliability design， hoping to provide effective reference for relevant people.

Key words：automotive mechanical， transmission， reliability， optimized design

1 引言

汽車變速器能夠針對汽車前進中的運行速度進行靈活控制調節，從而使整個車輛能夠維持一種正常運行狀態。汽車機械式變速器屬于相對傳統的調速方法，沿用至今。隨著科技發展，自動變速器以及無級變速器的誕生對汽車機械式變速器產生直接影響，為促進汽車機械式變速器持續發展下去，需要不斷進行優化創新，提升汽車機械式變速器綜合性能。

2 汽車機械式變速器分析

2.1 汽車機械式變速器發展現狀

通過調查分析發現機械式變速器依然是當前汽車生產領域中廣泛應用的變速器之一。盡管其存在各種缺陷，比如操控復雜、體積規模大以及換擋沖擊大等問題。但機械式變速器在實際應用中依然存在各種優勢，比如使用壽命長、具有較高的操作可靠性、傳動效率高等，同時機械式變速器的生產成本較低，制造工藝成熟。在當下設計工作中，高輸出代表轉速范圍所形成最高動力和轉矩。基于該種情況下，相關設計者應該合理應用換擋裝置，促進引擎轉速和轉輪保持相同速度。因為技術限制，傳統模式下的傳動設計已經無法滿足新時期汽車設計要求。尤其是汽車零件設計者將關注重點轉移到平順性以及降低質量當中，設計者對于汽車燃料利用率和汽車重量更為關注。在機械式變速器相關設計中引入可靠性優化設計方法，創建多目標可靠性優化設計模型，能夠支持機械式變速器的優化設計。

2.2 汽車機械式變速器設計特征

機械式變速器相關變速傳動結構具體如下圖所示。傳動模塊作為整個汽車系統重要部件，機械式變速器是汽車領域中誕生最早的傳統方法。因為汽車傳動系統主要是齒輪傳統模式，因此相關傳動比以及傳動齒數都是一種固定數值。設計者需要聯系具體特征設計合理的機械傳動優化方案。設計者應該使機械傳動系統維持較高運行功率，例如商業汽車以及貨車對應機械傳動系統，可靠性設計中，需要保證充足承壓能力和荷載承受能力，可以和引擎系統互相匹配，實現牽引目標。設計者需要結合企業的兼容性和經濟性要求合理設計機械傳動系統。

3 汽車機械式變速器可靠性優化設計

3.1 設計模型構建

相關研究證明汽車零件重量以及可靠度之間屬于互相沖突的關系，為此在設計中需要重點關注兩者平衡性。針對汽車傳動系統實施綜合設計中，想要同時滿足可靠性和質量要求，需要重點關注傳動系統的換擋控制以及變速控制。兩種運行參數主要是由傳動系統具體容積所決定的，為此初步針對傳動裝置創建模型中，需要將最小化以及傳動系統容積當成輕型設計目的函數。實際來講，傳動裝置主要從漸開線圓柱齒輪開始牽引傳動，為此相關設計者在針對系統模型進行設計中需要保持不同齒輪分度圓保持一致模量，同時保持圓壓角一致。除此之外，倒車螺旋角以及模數應該與一檔保持一致。

3.2 齒輪設計模型

機械式變速器相關傳動系統設計方式僅適合齒輪容積，但可靠性不足。針對該種狀況，生產單位需要針對機械式變速器相關設計模式進行全面監控，滿足可靠性指標。針對機械式變速器相關傳動裝置合理設置監控設備能夠實時監控整個傳動系統的運行狀態。假設傳動系統內不同傳動裝置產生故障為A，沒有任何故障的傳動裝置是B，合理構建傳統系統設計模型。利用該種措施可以促進未加工傳動系統實際運動過程進一步轉化為數學向量模型。基于此創建自動駕駛汽車的可靠性優化設計模式，展開綜合分析。

3.3 可靠性優化設計

多目標優化函數相關設計應該融合MATLAB6.5的FMINCON函數，從而對那些帶約束非線性優化問題實施準確求解。為此需要促進目標函數和約束全面融合，求解特定約束。其次，促進其他驅動系統對應約束條件全面融合，獲得數個多變量多目標非線性方程。最后比較分析基于單獨輕量化的優化模型以及多目標優化設計，科學驗證整體合理性。相關試驗證實，應用輕量化以及卡可靠度措施可以幫助進一步縮減傳動系統整體容積，優化系統操作可靠性。結合該種措施能夠針對汽車中的機械式變速器故障以及可靠性實施準確判斷與合理控制，進一步提升整個計算項目準確性以及可靠性。

4 汽車機械式變速器多目標可靠性優化設計

4.1 物理模型

機械式變速器作為汽車傳動系統內的重要組成元件，通過優化設計能夠提升整個汽車運行安全性。因為機械式變速器的傳動結構相對復雜，因此單純實施可靠性優化，為相關傳動系統設計提供有效參考。機械式變速器的體積大小和傳統系統規模密切相關，為此通過優化設計機械式變速器能夠影響傳統系統操作性能。本文主要研究了三軸四檔的機械式傳動系統。對應傳動裝置普遍是漸開線齒形，擁有相同齒輪模數和螺旋角，首個檔參數以及倒擋變速會影響倒車參數，為進一步簡化相關問題，無需對道排進行考慮[1]。

4.2 可靠度分配

可靠性分布即保障系統整體可靠運行基礎上，針對不同分部以及子系統實施細致劃分，在可靠性分配中綜合考慮系統裝置的重要性、復雜性以及技術水平，明確具體工作環境、工作周期以及尺寸、重量、成本等基礎約束，基于設計目標與相關限制因素下，選擇可靠度分配技術，實施可靠性分配環節，普遍會選擇比例分配、專家評分以及再分配等方法。其中比例分配即基于特定比例下重新分配整個產品失效率。不同功能元件擁有密切的結構聯系，因此不同部件也存在失效和功能性聯系，為進一步簡化整個問題，需要提前假設系統可靠性分配。不同部件擁有相同失效程度，不同元件保持相同失效率，即設備應用壽命和相關分布指數保持一致，以此為基礎可以選擇合理的可靠度分布形式，將整個機械式變速器的可靠度進一步分解至不同元件當中，按照標準傳動設計原則，篩選全變速系統可靠性。機械式變速器中，齒面損傷以及齒根斷裂屬于齒輪傳動基礎故障形式，通過融合齒輪彎曲疲勞強度以及接觸疲勞強度系統研究三軸機械傳動系統，明確機械式變速器故障成因。通過分析發現，機械式變速器對應傳動軸斷裂主要因為剛性破壞以及軸系疲勞強度所形成的。第一軸以及后兩個軸通常不會產生故障問題，為此實施可靠性分配中無需考慮可靠性。花鍵以及鍵通常用于輪轂、軸相關零件內，從而實現軸向傳遞轉矩。因為華鍵以及鍵破壞主要表現為磨耗壓裂，因此需要重點考慮相關疲勞強度以及可靠度[2]。

4.3 設計變量選擇

機械式變速器對應軸結構相對復雜，主要包括安裝齒輪、退刀槽、過渡段、軸頸等部分組成，針對其實施可靠性設計能夠在滿足標準強度和剛度要求基礎上進一步節約材料，降低軸質量。軸徑縮小能夠為花鍵、齒轂以及軸承提供更為廣泛的設計空間，同時為優化軸綜合性能奠定良好基礎。為進一步降低成本支出，在滿足汽車運行動力和運行可靠性基礎上，應該進一步降低傳輸裝置的材質、尺寸。為此將傳動系統最低容積當成基礎設計目標，因為汽車傳動系統對應體積主要通過傳動裝置所決定的，為此應該確定傳動系統最小傳動比目標。此傳動系統屬于中空結構，傳動軸直徑決定了孔徑大小。針對齒輪組實施可靠性優化中，可以把齒輪組當成實心齒輪，因為相關可靠性優化和初始參數對比存在某種關聯性，因此可以將其當成實心齒輪實施優化設計，不會過度影響優化效果。因為機械式變速器相關設計工作相對復雜，涉及多樣的設計參數[3]。

4.4 可靠性設計

動力傳送軸相關靜強度實施可靠性設計中，需要系統分析傳送軸的作用力，開展力分析工作，為此在研究中假設齒輪內對應力作用點分布在嚙合齒輪圓切點中，對應運行轉矩是發動機系統中的最高轉矩，保持固定載荷。第二個輪子中各個輪子都是朝左轉動。對于機械式變速器中的危險部位，相關軸向應力以及分布強度和標準規律相符。傳統軸對應靜強度的可靠度設計流程如下，結合軸結構描繪簡圖，科學分析軸應力，直接得到力矩和力數值，繪制轉矩曲線以及力矩，根據第三強度以及第四強度原理初步確定危險區內的軸應力以及強度排列。結合機械式變速器對應傳動結構內不同零件實際運行中的失效方式和概率參數針對整個系統結構實施可靠度優化分配。將最大重合度以及最小化體積當成基礎目標函數，聯系汽車的齒輪可靠度、動力性能要求、齒輪邊界條件、齒輪傳動參數作為基礎約束，創建可靠性優化模型實施可靠性設計。針對機械式變速器對應軸開展受力分析，創建軸剛度可靠性模型，支持可靠性分析設計。對于軸承的選擇方面，機械式變速器軸承是整個變速器軸的基礎支撐部件，也是重要的運動件，在整個變速器系統內發揮著重要作用，也是一種易損件。機械式變速器對應軸承主要以滾動軸承為主，包括滾針軸承、向心球軸承以及短圓柱向心軸承。大部分條件下對于首個軸的前軸承普遍是設置向心球軸承，后軸承屬于向心球軸承外座圈內設置有止動槽。第二軸前端普遍是選擇滾針軸承以及短圓柱滾子軸承，后端設置單列向心球軸承，額外設置止動槽。固定式中間軸則是以滾針軸承為主。在軸承選擇中，聯系機械式變速器整體結構分布，參考相同類型汽車的軸承設計，根據行業標準選擇軸承，隨后準確演算設備應用壽命。針對機械式變速器實施滾動軸承的持久性評價中，可以將軸承體和滾道表層間的接觸疲勞當成基礎依據，承受動荷載屬于其基礎特征[4]。

4.5 優化設計實例

已知某個三軸四檔機械式變速器對應車速最高是每小時140千米，基于MATLAB平臺相關優化模型對編程算法流程進行合理編制，具體如下圖2所示：

結合單目標優化解析容積參數最優值是562850立方米，綜合重合度為11.2534，一致性達到10.0446。經聯合優化設計后，對應容積為562850立方米，整體交錯率是10.3191，提升了2.73%。對應機械式變速器的原有容積設計數值是619850米，整體重合率是9.7127。相關結果證明，應用多目標為基礎的可靠度優化設計，使整個系統一致性以及結構尺寸相繼降低6.24%以及9.2%，和最終設計結果實施全面對比分析，證明基于多目標的優化設計斜齒輪結構綜合性能超出單一目標。

基于此初步編制了多目標可靠性優化設計軟件，調試工作首要目標是檢驗相關程序是否可以基于不同輸入參數下實現最優函數。深入分析最優問題，得到最優問題對不同限制條件靈敏度。調試程序如下，改變初始值，不改變設計變量、約束條件以及目標函數。比較分析各種初始值對于最終優化成果的影響。發現差異后解析具體原因，及時調整。在保持目標函數以及基礎設計參數一致基礎上，刪除其中特定約束條件，實施再優化，同時和具體約束狀況開展綜合對比分析。認真觀察不同參數變動程度，明確優化問題對于約束因素的靈敏度和敏感性。反復實施上述操作，逐一調試各個限制，獲得所有限制靈敏度，基于此靈活調整優化設計方案，最終獲得最高影響，分別是一組齒輪彎曲疲勞強度，第二組是一組。為此下一階段應該對整個結構實施合理調整。首個所需解決問題是優化系統抗彎疲勞性能，其次是改善相關接觸疲勞強度。該類問題處理可以分為兩種方式，一種是將大直徑變化齒輪當成基礎傳動，另一種是針對新型齒輪實施熱處理和材料優化，持續處理某些敏感性較高的影響因素，對現有設計產品質量進行不斷創新改進。隨后在三維可視化模型內引入所有計算得到的齒形參數[5]，具體如下圖所示：

5 結語

綜上所述，汽車中的機械式變速器實際操作運行會直接影響整個汽車運行的穩定性和可靠性，為此針對機械式變速器進行綜合設計中，想要進一步優化設計，提升機械式變速器的市場競爭力，需要對現有設計方案進行持續優化，除了需要注重高質量、高標準和高要求之外，還需要合理利用先進的科技手段持續創新，提升機械式變速器綜合實力。。汽車作為某種代步出行工具，應該重點提高整體安全性。

參考文獻：

[1]秦勤.汽車機械式變速器的可靠性優化設計[J].電子技術與軟件工程，2022（12）：106-109.

[2]趙杰.汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性優化設計分析[J].新型工業化，2022，12（05）：94-97.

[3]梁居正.汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性設計[J].內燃機與配件，2021（15）：13-14.

[4]解云.車輛機械式變速器多目標可靠性優化設計[J].九江學院學報（自然科學版），2020，35（02）：37-39.

[5]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，2020，36（02）：138-140.