汽車機(jī)械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

閆福剛

摘 要：汽車在使用期間，借助自身內(nèi)部系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的作用下將汽車帶動(dòng)起來(lái)。變速器在控制汽車速度中起到十分重要的作用。車輛車速的控制是利用變速器的協(xié)調(diào)作用，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置，對(duì)車速進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)車輛變速器時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車動(dòng)力行需求，確保汽車內(nèi)部零件強(qiáng)度與剛度的可靠性滿足車輛變速要求?，F(xiàn)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車機(jī)械式變速器的可靠性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式變速器；汽車；可靠性

汽車變速器的作用是為汽車提供可變化的速度，以保證車輛正常運(yùn)行。汽車機(jī)械式變速器作為一種相對(duì)古老的調(diào)速模式，一直被沿用至今[ 1 ]。在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)技術(shù)不斷改進(jìn)，變成了一種成熟的變速器使用元件。無(wú)極變速器和自動(dòng)變速器出現(xiàn)后，給機(jī)械式變速器造成一定沖擊，影響了在市場(chǎng)中的使用份額。AMT出現(xiàn)后，機(jī)械式變速器迎來(lái)了全新的機(jī)遇，具備良好的發(fā)展前景。

一、提出問(wèn)題

從目前來(lái)看，機(jī)械式變速器仍被廣泛應(yīng)用于汽車中。人們生活水平的提升，對(duì)汽車的要求越來(lái)越高。雖然機(jī)械式變速器較為古老，但依然能夠滿足一些汽車愛(ài)好者的需求。汽車的不斷發(fā)展，汽車機(jī)械式變速器的作用越來(lái)越重要，然而，在優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器可靠性時(shí)，存在一系列問(wèn)題。

（一）介紹機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)具備較高的輸出轉(zhuǎn)速，在特定的轉(zhuǎn)速區(qū)存在最大扭矩和最大功率。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)性能充分發(fā)揮出來(lái)，需要安裝變速裝置，以對(duì)車輪實(shí)際行駛速度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行協(xié)調(diào)，這種裝置被稱之為變速器。齒輪組是機(jī)械式變速器應(yīng)用的重要部分，各個(gè)檔的齒輪組齒數(shù)是一定的，因此，每個(gè)檔的變速比值是一個(gè)固定值。

（二）分析存在的問(wèn)題

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)艿臄?shù)字運(yùn)算進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取最佳設(shè)計(jì)功能，或者能夠優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、局部零部件，做到汽車輕量化，以減少尾氣排放，節(jié)約能源。所以，現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)法被廣泛應(yīng)用于汽車變速器設(shè)計(jì)。從另一角度來(lái)說(shuō)，采取現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)汽車變速器，不僅優(yōu)化了其設(shè)計(jì)功能，同時(shí)也優(yōu)化了其性能。汽車變速器的三個(gè)重要性能指標(biāo)是可靠性、安全性和平穩(wěn)性，在現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方式對(duì)汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化了變速器的可靠性、安全性和平穩(wěn)性。所以，在采取現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)汽車機(jī)械式變速器時(shí)，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)其可靠性。

二、優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器的可靠性

盡管機(jī)械式變速器依然采用傳統(tǒng)汽車技術(shù)，但其作為變速機(jī)構(gòu)的一種，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提升其可靠性，進(jìn)而提升其在市場(chǎng)中的地位。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器的可靠性，顯得尤為重要。

（一）分析變速器設(shè)計(jì)模型

汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在的一個(gè)主要矛盾是輕量化與可靠性，故在設(shè)計(jì)汽車時(shí)，要權(quán)衡輕量化與可靠性間的關(guān)系，特別是對(duì)機(jī)械式變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)。機(jī)械式變速器換擋變速原理，主要是利用多個(gè)齒輪改變傳動(dòng)比。在設(shè)計(jì)汽車變速器輕量化和可靠性時(shí)，主要是優(yōu)化設(shè)計(jì)齒輪的輕量化和可靠性。設(shè)計(jì)變速器輕量化時(shí)，重點(diǎn)考慮變速器齒輪系統(tǒng)體積，把變速器齒輪體積最小和設(shè)置為設(shè)計(jì)輕量化目標(biāo)函數(shù)，公式[ 2 ]如下：

上述公式中，各個(gè)齒輪分度圓直徑用，各個(gè)齒輪齒寬用b表示，因齒輪系以漸開線圓柱齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，故分度圓壓力角相同，互相要喝的兩個(gè)齒輪分度圓上木梳相同。除此之外，螺旋角、倒擋齒輪模式和一檔齒輪取值一致，故倒擋傳動(dòng)比決定著倒擋齒輪體積。設(shè)計(jì)好前進(jìn)檔位齒輪后，借助倒擋傳動(dòng)比，能夠?qū)Φ箵觚X輪其他參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，齒輪系體積計(jì)算公式如下：

上述公式中第i檔齒輪法向模數(shù)用mni表示，其中i=1，2，3，4，5；第i檔齒輪分度圓柱螺旋角用其中i=1，2，3，4，5。

參照變速器每個(gè)檔傳動(dòng)比間關(guān)系，公式2可以轉(zhuǎn)化成齒輪基本參數(shù)函數(shù)，公式如下：

之后確定設(shè)計(jì)變量，構(gòu)建約束條件，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，這樣，能夠完成汽車變速器輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車機(jī)械式變速器可靠性。

（二）以變速器齒輪可靠性為中心，分析復(fù)合模型

實(shí)際分析上述模型時(shí)，主要是在體積方面優(yōu)化設(shè)計(jì)變速器自身輕量化，關(guān)于可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容較少。所以，基于傳統(tǒng)變速器體積函數(shù)模型，分析可靠性目標(biāo)，以輕量化和可靠性為主構(gòu)建復(fù)合設(shè)計(jì)模型。

變速器內(nèi)部齒輪安裝了檢測(cè)裝置，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部齒輪狀態(tài)，加入機(jī)械式變速器齒輪均可能出現(xiàn)故障，當(dāng)其中一個(gè)齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，判定為變速器出現(xiàn)故障[ 3 ]。

這時(shí)，機(jī)械式變速器內(nèi)部齒輪出現(xiàn)故障用H1表示，齒輪無(wú)故障用H0表示，N個(gè)齒輪檢測(cè)裝置可以獲得k個(gè)沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)向量Xi。

就這一模型進(jìn)行分析，在模型計(jì)算中納入因故障率引發(fā)的可靠性，將促進(jìn)機(jī)械式變速系統(tǒng)計(jì)算可信度及可靠性分析的提升。

（三）多目標(biāo)優(yōu)化法

這種方法求解的方式包括很多種，現(xiàn)利用綜合目標(biāo)法進(jìn)行分析。利用線性加權(quán)法轉(zhuǎn)化多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，使其變?yōu)樵u(píng)價(jià)函數(shù)，各個(gè)單目標(biāo)優(yōu)化值倒數(shù)設(shè)置為權(quán)系數(shù)，那么minf（X）=[W2f2（x）+W1f1（x）]，公式中，體積加權(quán)系數(shù)：W1=1/F*1（X），總重合度加權(quán)系數(shù)：W2=1/[-f*2（X）]，單體積最優(yōu)化值：F*1（X），單總重合度最優(yōu)化值：F*2（X）。

三、總結(jié)

汽車的可靠性和穩(wěn)定性受到變速器可靠性的影響，故在設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器時(shí)，要實(shí)施優(yōu)化研究，在機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)中納入可靠性分析，以促進(jìn)機(jī)械式車輛變速器的市場(chǎng)份額。

本研究采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器可靠性，并構(gòu)建可靠性復(fù)合模型，對(duì)機(jī)械式變速器可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但研究?jī)?nèi)容存在局限，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 李鵬飛.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)[J].科技傳播，2014（17）：90.