基于可靠性的汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要： 在交通行業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí)，我國汽車行業(yè)也在不斷發(fā)展，車輛設(shè)計(jì)制造企業(yè)在不斷地進(jìn)步。隨著生活物質(zhì)水平不斷提高，對汽車需求量不斷地?cái)U(kuò)大，對汽車變速器的設(shè)計(jì)和制造提出了較高的要求。在汽車傳動機(jī)構(gòu)中，變速器屬于尤為重要的部分，其影響著汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性及操作性。對基于可靠性的汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并且提出了針對性的優(yōu)化措施，使人們不斷提高的汽車需求得到滿足，有效促進(jìn)我國汽車穩(wěn)定、安全的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 可靠性; 汽車; 機(jī)械式變速器; 變速傳動機(jī)構(gòu)

中圖分類號： TG409 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Variable Speed Transmission Mechanism for Automotive

Mechanical Transmission Based on Reliability

CHEN Fang

（School of Aviation Manufacturing Engineering， Xian Aeronautical Polytechnic Institute， Xian 710089）

Abstract： With the continuous development of the transportation industry， the automobile industry in China is also developing， and the vehicle design and manufacturing enterprises are making continuous progress. With the improvement of the living material level， the demand for the automobile is expanding constantly， which puts forward higher requirements for the design and manufacture of the automobile transmission. Transmission is a very important part of automobile transmission， it affects the power， economy and operation of automobile. In this paper， the design of the transmission mechanism of automobile mechanical transmission based on reliability is analyzed， and the corresponding optimization measures are put forward to satisfy the increasing demand of automobile and to promote the development of our country effectively such as car stability， safety development.

Key words： Reliability; Automobile; Mechanical transmission; Transmission mechanism

0 引言

汽車是人們主要代步工具，其動力裝置為內(nèi)燃機(jī)，在汽車傳動機(jī)構(gòu)中，變速器屬于尤為重要的內(nèi)容。機(jī)械式變速器的使用年限長，成本較低，具有較高穩(wěn)定性，以此被廣泛使用，但是還存在換擋沖擊較大、體積較大的問題。那么，如何使機(jī)械式變速器結(jié)構(gòu)及使用的性能進(jìn)行改善，從而使傳動可靠性得到提高，為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)人員需要考慮的問題。

1 汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)的可靠設(shè)計(jì)方法 ?變速器屬于汽車機(jī)械式變速器變速傳動系統(tǒng)中尤為重要的內(nèi)容，其能夠固定或者分檔實(shí)現(xiàn)輸入、輸出軸傳動比的齒輪傳動裝置進(jìn)行改變。變速器主要包括變速機(jī)構(gòu)及傳動機(jī)構(gòu)，傳動機(jī)構(gòu)的傳動大部分都是通過普通齒輪實(shí)現(xiàn)的，特殊時(shí)候利用行星齒輪傳動。汽車機(jī)械式變速器變速傳動主要是離用傳動比和發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)矩進(jìn)行改變，從而使不同行駛狀態(tài)中的汽車對于驅(qū)動車輪牽引力及運(yùn)行速度需求得到滿足。汽車機(jī)械式變速器變速傳動主要是使用齒輪傳動降速原理，主要內(nèi)容就是在汽車低速運(yùn)行的過程中，使具有較大傳動比的齒輪副進(jìn)行工作。在汽車高速運(yùn)行的過程中，使具有較小的傳動比齒輪副工作[1]。

實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)主要是將系統(tǒng)可靠性指標(biāo)作為基礎(chǔ)，使預(yù)設(shè)功能目標(biāo)需求得到滿足。目標(biāo)實(shí)現(xiàn)能夠使系統(tǒng)技術(shù)性能、成本及時(shí)間等各因素之間相互協(xié)調(diào)。要想能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)，就要整合對于功能目標(biāo)影響的因素。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的主要方法包括兩種，第一種為以系統(tǒng)內(nèi)零部件可靠性數(shù)據(jù)及計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的對比，使用最佳設(shè)計(jì)方案;第二種為根據(jù)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)零部件任務(wù)可靠性再分配，逐一的選擇最佳的設(shè)計(jì)方案[2]。

2 汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 ?可靠性是將概率統(tǒng)計(jì)作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對零部件的材料、載荷、尺寸等數(shù)據(jù)分散性進(jìn)行全面考慮，通過多次試驗(yàn)得出各種數(shù)據(jù)，最后利用概率統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)推導(dǎo)得出設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.1 可靠度分配

為了滿足系統(tǒng)可靠性目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)可靠度的分配，全面考慮費(fèi)用、重要程度、復(fù)雜程度等。在實(shí)現(xiàn)汽車變速器可靠度分配過程中，假設(shè)獨(dú)立所有零部件故障，并且零部件壽命能夠滿足指數(shù)分布需求，根據(jù)傳動裝置可靠性分配變速器軸、花鍵、變速齒輪、軸承進(jìn)行分配。其中的軸承指的是易損原件，在進(jìn)行日常維修過程中能夠定期的更換，所以在可靠性分配過程中不進(jìn)行考慮[3]。變速齒輪可靠度包括以下內(nèi)容：齒輪接觸強(qiáng)度，表示為RC接及齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，表示為RC彎，花鍵可靠度包括疲勞強(qiáng)度，表示為RJ強(qiáng)，變速器軸可靠度包括軸疲勞剛度，表示為RS剛、強(qiáng)度表示為RS強(qiáng)。以串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度分配原則，變速器的變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性分配模型表示為：RS=RC彎×RC接×RJ強(qiáng)×RS強(qiáng)×RS剛。圖1為機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)的分解。

2.1.1 變速齒輪的可靠性

變速器體積控制在設(shè)計(jì)過程中尤為重要，對行車穩(wěn)定及動力進(jìn)行全面考慮，降低變速器體積及制造成本。齒輪系影響著變速器的體積，此方面也是變速器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)齒輪系可靠性設(shè)計(jì)過程中，使空心結(jié)構(gòu)作為實(shí)心結(jié)構(gòu)，降低分析過程中的復(fù)雜度。高重合度水平能夠提高變速器齒輪系統(tǒng)傳動平溫度屬于齒輪重合度可靠性影響特點(diǎn)，降低工作噪聲，提高動載荷控制水平[4]。

2.1.2 變速器軸的可靠性

汽車機(jī)械式變速器軸構(gòu)建能夠使操控應(yīng)力的傳遞內(nèi)容進(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要構(gòu)成為軸肩段、過渡段、齒輪安裝段及軸頸段。在分析變速器可靠性過程中，主要基礎(chǔ)就是結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性，降低軸質(zhì)量，而且還能夠提高傳動靈活性，從而能夠提供其他傳動構(gòu)建的空間。汽車機(jī)械式變速器軸可靠性主要包括第一軸、第二軸、中間軸和倒擋軸。第一軸最復(fù)雜，所以此方面為分析重點(diǎn)，分析主要目的為應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)突變的部位中，通過第一軸實(shí)現(xiàn)其他軸可靠性分析。將機(jī)械式變速器實(shí)際運(yùn)行情況作為基礎(chǔ)，軸疲勞損壞的問題出現(xiàn)機(jī)率較小，剛度、強(qiáng)度成為可靠性校核的主要內(nèi)容[5]。

2.1.3 花鍵的可靠性

汽車機(jī)械式變速器花鍵的運(yùn)行為多齒方式，其荷載承載能力良好，而且對中性及導(dǎo)向性較為理想。花鍵結(jié)構(gòu)的齒根比較淺，變速傳動過程的應(yīng)力水平比較低，對變速器傳動系統(tǒng)的剛度可靠性及水平進(jìn)行保證。在工況中，花鍵受擠壓的應(yīng)力計(jì)算表示：p=2TΨzhlDm（MPa） ?以公式得到的強(qiáng)度及應(yīng)力分布結(jié)果，根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，使參數(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)立，從而分析花鍵結(jié)構(gòu)可靠性。

2.1.4 軸承的可靠性

結(jié)合汽車機(jī)械式軸結(jié)構(gòu)、變速器軸承，可靠性的分析對象特點(diǎn)要結(jié)合周特點(diǎn)。通過向心球軸承設(shè)計(jì)第一軸的前軸，第二軸的前端使用滾針軸承設(shè)計(jì)，通過單列向心球軸承設(shè)計(jì)后端。在對汽車機(jī)械式變速器軸承可靠性分析的過程中，利用汽車軸承可靠性的規(guī)范實(shí)現(xiàn)，能夠使系統(tǒng)的壽命及可靠性得到滿足。軸承具有明顯的接觸疲勞損壞，在實(shí)現(xiàn)可靠性分析過程中要對動載荷影響進(jìn)行考慮[6]。

2.2 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

其一，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)有效創(chuàng)建。變速器齒輪系多目標(biāo)的可靠性優(yōu)化和數(shù)學(xué)模型重點(diǎn)為最大變速器體積及齒輪傳動負(fù)荷度方面具有密切的關(guān)系，使變速器將目標(biāo)函數(shù)作為基礎(chǔ)，基于汽車動力安全性及穩(wěn)定性開展，從而使變速器的體積得到縮小，以此實(shí)現(xiàn)材料及成本的節(jié)約。齒輪傳動的重合度比較大，能夠使傳動平穩(wěn)度得到進(jìn)一步的提高，使噪音得到有效降低，從而進(jìn)一步的降低傳動動載荷量。

其二，選擇設(shè)計(jì)變量。在設(shè)計(jì)汽車機(jī)械器變速器的齒輪系統(tǒng)過程中包括多參數(shù)，本文使用螺旋角、檔變速比、嚙合齒輪模數(shù)、常嚙合齒輪齒數(shù)及齒寬作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量。

其三，對約束條件進(jìn)行確定。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，對約束條件進(jìn)行確定更主要包括變速器各檔的傳動比比值約束、變速齒輪可靠性約束、邊界約束、變速器最大傳動比約束、中間軸軸向力平衡約束、變速器中心距約束[7]。圖2為優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的算法流程。

2.3 變速器軸可靠性

汽車機(jī)械式變速器軸主要包括軸徑、軸肩、齒輪段等，變速器具有復(fù)雜軸結(jié)構(gòu)，將滿足軸強(qiáng)度可靠性作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可靠性設(shè)計(jì)，節(jié)約設(shè)計(jì)制造材料。為了使花鍵、軸承的工作性能得到提高，降低軸徑。在汽車變速器軸系統(tǒng)中的第二軸結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，工程復(fù)雜。

變速器動力輸出軸剛度可靠性利用撓度、軸扭轉(zhuǎn)角、軸截面偏轉(zhuǎn)角構(gòu)成，并且假設(shè)三者滿足正態(tài)分布隨機(jī)變量。

變速器軸具有較大的復(fù)雜度，從而使階梯軸能夠有效的簡化，使其替代等截面軸。因?yàn)槲ｋU(xiǎn)截面強(qiáng)度及應(yīng)力分布中的軸都是正態(tài)的分布，所以設(shè)計(jì)動力輸出軸靜強(qiáng)度的可靠性要滿足軸結(jié)構(gòu)，之后分析軸部位的受力。也就是分析各個(gè)齒輪的受力，從而能夠得出力矩及受力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、彎矩的繪制，對危險(xiǎn)截面中軸的強(qiáng)度分布進(jìn)行確定，根據(jù)規(guī)定可靠度實(shí)現(xiàn)軸徑的計(jì)算。

3 多目標(biāo)可靠性的優(yōu)化

3.1 MATLAB工具箱

MATLAB工具箱優(yōu)化功能強(qiáng)大，本文利用其fmincon函數(shù)實(shí)現(xiàn)約束條件中非線性最小化問題求解。設(shè)計(jì)汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)過程中，要計(jì)算單目標(biāo)優(yōu)化，得出總重合度及體積的最優(yōu)質(zhì)，之后實(shí)現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過結(jié)果表示，斜齒輪多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好效果。圖3為多目標(biāo)優(yōu)化流程。

3.2 齒輪參數(shù)調(diào)整

因?yàn)樾饼X輪數(shù)為整數(shù)，使用齒輪法選擇模數(shù)要滿足國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需求，一堆嚙合齒輪數(shù)不不能夠具有公因數(shù)，那么就實(shí)現(xiàn)齒輪參數(shù)處理。圖4為斜齒輪的模型。

3.3 程序的優(yōu)化調(diào)試

對多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的優(yōu)化功能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試：不使約束條件、設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)得到變化，只是改變初始值，對比不同初始值優(yōu)化的結(jié)果。利用分析結(jié)果可以看出來，優(yōu)化結(jié)果主要是受到一檔齒輪中小齒輪彎曲的疲勞強(qiáng)度影響[8]。圖5為可靠性優(yōu)化應(yīng)用程序界面。

4 總結(jié)

在汽車中，變速器屬于較為重要的零件，其對于汽車整體結(jié)構(gòu)使用安全性及穩(wěn)定性具有一定的作用，那么就要對機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行全面的研究，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建，利用MATLAB技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)果的針對性優(yōu)化，從而針對性提高機(jī)械式變速器可靠性設(shè)計(jì)的水平，促進(jìn)我國汽車行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 尤建祥. 汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2016，21（2）：57-58.

[2] 賈冉. 汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2017，18（6）：288.

[3] 陳俊武， 李娜， 武文娟. 汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中外企業(yè)家， 2016，18（2X）：204-205.

[4] 董淼， 劉國盛. 車用汽油機(jī)冷熱沖擊可靠性試驗(yàn)研究[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)， 2016， 45（6）：27-29.

[5] 冉昭， 劉玉蒙. 關(guān)于汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 科研，2014，18（5）：25.

[6] 楊潔， 解海靜. 汽車機(jī)械式變速器傳動機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 工程技術(shù)（文摘版）， 2016，15（10）：55.

[7] 梁兆祥. 汽車機(jī)械式變速器變速傳動機(jī)構(gòu)的可靠性優(yōu)化[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2016，12（20）：287.

[8] 張宏超， 馬肖， 高海洋，等. 基于負(fù)載因子分析的自動變速器耐久循環(huán)重構(gòu)方法研究[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)， 2017， 46（5）：24-27.

（收稿日期： 2019.01.22）

作者簡介：陳芳（1982-），女，教師，講師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械加工方法等。文章編號：1007-757X（2020）02-0138-03