汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化設計

劉普

摘?要： 在汽車傳動系統(tǒng)中，其傳動效率、穩(wěn)定性及動力性能對變速器設計有很大依賴，而且伴隨汽車工業(yè)發(fā)展，變速器也得到了不斷優(yōu)化，更大程度滿足對駕駛調(diào)速體驗要求。本文主要結(jié)合汽車變速器特點，利用matlab工具建立變速器模型，并對其傳動機構(gòu)可靠性進行設計，以達到變速器設計優(yōu)化目的。

關(guān)鍵詞： 汽車;機械式變速器;變速傳動機構(gòu);可靠性;優(yōu)化

【中圖分類號】U463?【文獻標識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.27.196

由于汽車變速器的應用，使得汽車傳動比得到較好控制，其轉(zhuǎn)速范圍也得以擴大，而且還有助于發(fā)動機工況的保持，進而提高汽車的使用價值。在汽車傳動系統(tǒng)中，機械式變速器得到應用普及的關(guān)鍵在其使用壽命及成本優(yōu)勢，然而，機械式變速器性能還有較大提升空間，通過改善變速器結(jié)構(gòu)設計，能夠使其在汽車傳動系統(tǒng)中更可靠。

1?相關(guān)設計內(nèi)容

對于汽車機械式變速器來說，為提高其安全性與操控性，需對其變速傳動機構(gòu)進行優(yōu)化，不應局限在基本的換擋傳動功能，而是要保證安全穩(wěn)定行駛。為實現(xiàn)變速器設計優(yōu)化，需要對其材料、載荷、結(jié)構(gòu)尺寸等有深入了解，并采取必要試驗措施，以保證變速器設計合理性。

1.1?變速器可靠度分配

為保證機械式變速器可靠性，可采取可靠度分解的方式，將變速器整體可靠性分配到各零部件，以達到傳動機構(gòu)整體可靠性提升的效果。機械式變速器變速傳動機構(gòu)分解圖如圖1所示。通?？煽啃苑纸獾囊罁?jù)有：技術(shù)、復雜性、環(huán)境、費用等。首先要進行假設，認定各零部件故障間關(guān)聯(lián)較小，其壽命還基本滿足指數(shù)分布的形式。其次要進行可靠度分配，通常變速器傳動機構(gòu)可靠度分配結(jié)果為：一是花鍵，主要是疲勞強度;二是變速器軸，主要為軸靜強度和剛度;三是變速齒輪，主要為齒輪彎曲與接觸疲勞強度。

1.2?可靠性優(yōu)化數(shù)學模型設計

（1）目標函數(shù)的建立

為保證目標函數(shù)建立的科學性，其對于變速器的設計，要符合安全穩(wěn)定駕駛要求，這里所建立的是多目標可靠性優(yōu)化模型，該目標函數(shù)是基于變速體積最小化與齒輪傳動復合度最大化，這是因為變速器體積越小，越能節(jié)約汽車內(nèi)空間，成本也越小，而重合度越大，則預示著更小的噪聲，傳動性能更平穩(wěn)。

（2）設計變量的選取

由于實際變速器齒輪系統(tǒng)運行性能涉及到多種變量，然而在該設計中，僅取其主要的變量進行設計，具體為：格擋變速比、齒合齒輪模數(shù)、齒寬等，基本可達到模型設計要求。

（3）約束條件的確認

要建立合適的約束條件，才能使數(shù)學模型收斂，主要設計有：傳動比比值、變速器中心距、最大傳動比、變速齒輪可靠性、軸向力平衡等約束條件。

1.3?變速器軸的可靠性設計

變速器軸涉及到的結(jié)構(gòu)主要有軸肩、軸頸和退刀槽等，在進行軸結(jié)構(gòu)設計的過程中，一定要保證軸強度達標，然后在此基礎上進行可靠性設計，在保證制造質(zhì)量的基礎上減少材料的使用量，節(jié)約制造成本，在此過程中將軸徑控制在一個較小的數(shù)值能夠有效改善花鍵的使用性能。當涉及到汽車變速器時，第二軸涉及到的工序十分復雜，而且其工作環(huán)境也極為不利，這需在設計中多加考慮。

（1）軸靜強度可靠性設計

通常來說軸結(jié)構(gòu)的組成十分復雜，可以采用截面軸的方法來將原有的簡化階梯軸替換，而危險截面和應力分布存在著一定的變化關(guān)系（正態(tài)分布），因此想要保證動力輸出軸設計的可行性，一定要有相對應的軸結(jié)構(gòu)簡圖進行分析，針對不同部位考慮作用力的影響程度，在此基礎上獲取所需力矩，畫出相對應的彎矩圖等，同時找出危險截面并進行合理分析，選擇合適的軸徑，降低安全隱患。

（2）軸剛度可靠性設計

在進行輸出軸剛度設計的過程中，通常需要考慮到撓角，轉(zhuǎn)角和截面等要素，保證可靠度的合理分配，為了提高設計精度可以進行適當?shù)募僭O，比如說假設變化關(guān)系為正態(tài)分布，而變速器具有不同的檔位并且所處位置也是有所區(qū)別，將其進行拆解單獨計算，采用的方法在原理基本上是一致的。

2?基于MATLAB變速器可靠性優(yōu)化設計

為驗證斜齒輪多目標設計的有效性，本文選用MATLAB作為仿真分析工具，其在線性、非線性問題分析上有較好應用，同時，在多目標設計優(yōu)化中，對于變速器體積與復合度的優(yōu)化要建立在單目標優(yōu)化的基礎上，然后采取聯(lián)合仿真計算的方式。

2.1?齒輪參數(shù)圓整

根據(jù)齒輪特點，可知斜齒輪的設計有許多限制因素，對于相互齒合的齒輪，其大小齒輪齒數(shù)既要是整數(shù)，又不能有倍數(shù)關(guān)系或者有公因數(shù)，這在齒輪參數(shù)設計中需注意，同時也是齒輪參數(shù)圓整設計的重要原因。此外，在齒輪實際應用中，其齒輪彎曲與接收強度會存在不足的情況，在設計中能夠利用齒輪變位予以應對，還能夠減少齒輪參數(shù)圓整問題的發(fā)生。根據(jù)優(yōu)化所得齒輪參數(shù)，斜齒輪的三維實體建模如圖2所示。

2.2?對程序進行調(diào)試優(yōu)化

為達到變速器傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化，還需對MATLAB程序予以調(diào)試，進而有效驗證程序的可調(diào)用性，以滿足各類輸入條件下的優(yōu)化效果，同時，還可用于分析不同約束條件下程序運行結(jié)果的變化，優(yōu)化設計程序算法流程圖，見圖3所示。主要調(diào)試內(nèi)容：首先是通過改變程序初始值，而維持其他變量及函數(shù)不變，進而驗證程序是否均能達到優(yōu)化效果;其次是通過改變單個約束條件，并對優(yōu)化結(jié)果進行對比分析，可用于驗證該約束條件對優(yōu)化結(jié)果的影響程度。經(jīng)調(diào)試優(yōu)化可知，齒輪彎曲疲勞強度參數(shù)對于變速器可靠性優(yōu)化

有最大影響。變速器優(yōu)化前后驅(qū)動功率—車速曲線，如圖4所示，反映了速比分配與檔位使用率的關(guān)系。

3?結(jié)束語

綜上所述，為實現(xiàn)汽車產(chǎn)品性能提升，變速器的優(yōu)化設計很是關(guān)鍵，對汽車行駛穩(wěn)定性和安全性有較大影響。本文設計了以變速體積最小化與齒輪傳動復合度最大化為目標函數(shù)的可靠性優(yōu)化數(shù)學模型，有助于機械式變速器的可靠性優(yōu)化，對汽車傳動系統(tǒng)性能提升有很大幫助。

參考文獻

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