汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路徑分析

樓江天 陸江燕 趙建輝

[摘? ? 要]隨著我國(guó)汽車行業(yè)、交通事業(yè)的飛速發(fā)展，消費(fèi)者更加側(cè)重于汽車的安全性、可靠性，而變速器則直接關(guān)系到汽車的安全性與可靠性。變速器是汽車動(dòng)力的傳動(dòng)裝置，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳輸給汽車各個(gè)組件，因此對(duì)變速器設(shè)計(jì)的可靠性將直接關(guān)系到汽車的運(yùn)行安全，本次研究中對(duì)汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，意在于為機(jī)械式變速器的發(fā)展提供一定的參考。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械式變速器;齒輪;軸承;模型

[中圖分類號(hào)]U463.212 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–02

Analysis on the Realization Path of Optimal Design of

Automobile Mechanical Transmission

Lou Jiang-tian，Lu Jiang-yan，Zhao Jian-hui

[Abstract]The transmission is an important component of a car. The performance of the transmission itself has a vital impact on the overall performance of the car， and it is related to the economy， stability， comfort and other conditions of the car. With the rapid development of my country's automobile industry and transportation industry， consumers pay more attention to the safety and reliability of automobiles， and the transmission is directly related to the safety and reliability of automobiles. The transmission is the transmission device of the automobile power， which transmits the power output by the engine to the various components of the automobile， and more importantly， the speed effect of the automobile， so the reliability of the transmission design will directly affect the safety of the automobile.

[Keywords]mechanical transmission; gear; bearing; model

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與建設(shè)步伐的加快，汽車工業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中所占的比重越來(lái)越大，而汽車工業(yè)帶動(dòng)著我國(guó)石油、化工、冶金等多個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展與居民生活水平的提升使汽車的銷量呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

變速器是車輛的重要組成部分，關(guān)系到汽車的整體性能，其設(shè)計(jì)制造過(guò)程中成本、客戶需求都是需要進(jìn)行綜合考量的因素?，F(xiàn)階段自動(dòng)變速器已經(jīng)成為時(shí)代主流趨勢(shì)，即便如此傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器仍然存在無(wú)可替代的價(jià)值與優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)機(jī)械式變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的積極意義。

1 機(jī)械式變速器

機(jī)械式變速器是一種手動(dòng)變速器，駕駛員需要通過(guò)手動(dòng)撥動(dòng)變速桿調(diào)整變速器內(nèi)部傳動(dòng)力副齒輪，從而實(shí)現(xiàn)變速。機(jī)械式變速器誕生至今已經(jīng)具有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，因此其設(shè)計(jì)制造工藝已經(jīng)達(dá)到成熟，不僅具有較高的傳動(dòng)效率，還具有較強(qiáng)的平穩(wěn)性[1]。因?yàn)槭謩?dòng)機(jī)械式變速器可以帶來(lái)出色的駕駛體驗(yàn)，所以獲得許多汽車駕駛愛好者的青睞與認(rèn)可。

對(duì)于機(jī)械式變速器而言，不同的檔位具有不同的變速比。相比之下機(jī)械式變速器相比自動(dòng)變速器操縱起來(lái)更加繁瑣，但是其仍忽然具備自動(dòng)變速器無(wú)可替代的性能。

（1）機(jī)械式變速器可以充分發(fā)掘引擎動(dòng)力，從而使汽車獲得更加強(qiáng)勁的動(dòng)力，在爬坡、過(guò)山路時(shí)都可以輸出強(qiáng)勁動(dòng)力，因此要求動(dòng)力強(qiáng)勁的重型車輛首選機(jī)械式變速器。

（2）經(jīng)調(diào)查表明，許多汽車駕駛愛好者認(rèn)為手動(dòng)擋可以帶來(lái)更好的駕駛操縱體驗(yàn)，駕駛手動(dòng)汽車可以獲得自動(dòng)擋汽車無(wú)法得到的駕駛滿足感。

（3）因?yàn)槭謩?dòng)機(jī)械式變速器對(duì)于駕駛員的操縱技術(shù)具有較高的要求，因此手動(dòng)機(jī)械式變速器對(duì)于提升駕駛員的駕駛技能具有一定的效果，而操縱手動(dòng)機(jī)械式變速器車輛也是對(duì)駕駛員駕駛水平最有效的考量標(biāo)準(zhǔn)。

2 汽車機(jī)械式變速器的具體優(yōu)化

2.1 齒輪參數(shù)

確定初選模型與中心距，變速器的自重與中心距的增加量成正比，而模數(shù)的變化會(huì)直接影響到齒輪強(qiáng)度，因此通常借助公式確定具體模數(shù)。齒寬。壓力角確定過(guò)程中，齒輪抗彎強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度與壓力角變化成正比。借助公式計(jì)算齒角，齒角大小與負(fù)載變化成正比，當(dāng)齒角過(guò)大會(huì)造成齒輪承載力下降。確定齒數(shù)的過(guò)程中，首先對(duì)變位系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，齒輪的重合力度與螺旋角斜齒輪變化成正比[2]。

以降低噪音為前提條件，對(duì)軸承的軸向力再次進(jìn)行計(jì)算，以此為依據(jù)確定最終的齒輪齒數(shù)。若試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)齒輪失效的情況，可以通過(guò)提升齒輪的承載力，確定最終變位系數(shù)。

2.2 齒輪強(qiáng)度與尺寸計(jì)算

齒輪的參數(shù)相對(duì)較多，因此需要結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算齒輪一系列的參數(shù)。主要的參數(shù)包括：基圓直徑、變位系數(shù)、分度圓直徑。在計(jì)算過(guò)程中需要最大程度上確保數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。在對(duì)變速器齒輪有效性進(jìn)行判斷的過(guò)程中，計(jì)算齒輪強(qiáng)度是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。若齒輪在運(yùn)作過(guò)程中出現(xiàn)損害、故障，常見的情況為齒面攪合、齒輪折斷、齒面點(diǎn)腐蝕[3]。需要確保齒面的抗點(diǎn)腐蝕能力，進(jìn)一步保證齒輪的正常運(yùn)作，借助公式獲取最終結(jié)論。

齒輪在傳遞動(dòng)力的過(guò)程中，需要最大程度上確保齒輪處于懸臂狀態(tài)。齒輪的可靠性得到保證以后，才能進(jìn)一步保證機(jī)械式變速器的安全性、可靠性得到強(qiáng)化。

2.3 變速器模型

現(xiàn)階段機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)正在向著輕量化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)汽車變速器的輕量化設(shè)計(jì)是探索汽車運(yùn)行可靠性的重要基礎(chǔ)。[4]設(shè)計(jì)汽車變速器的過(guò)程中，需要對(duì)汽車運(yùn)行可靠性、齒輪輕量化進(jìn)行權(quán)衡，確保變速器轉(zhuǎn)動(dòng)與換擋實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)是基礎(chǔ)條件。

縮小變速器齒輪的體積是實(shí)現(xiàn)變速器齒輪輕量化的核心基礎(chǔ)，對(duì)于機(jī)械式變速器而言，其中含有大量的齒輪，如果所有齒輪的體積之和達(dá)到最小的話，這一結(jié)果就可以成為齒輪輕量化設(shè)計(jì)的函數(shù)。

設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器，公式如下：

（1）

式（1）中：bi為齒輪寬度;di為齒輪分度元直徑。齒輪傳動(dòng)選擇漸開線圓柱齒輪，在齒輪嚙合狀態(tài)下，兩個(gè)齒輪分度圓的壓力角與模數(shù)應(yīng)該是相等的。一檔、倒擋因?yàn)樵谕粰n位，因此螺旋角與模數(shù)應(yīng)該是相同的。倒擋齒輪的體積會(huì)受到倒擋傳動(dòng)比的影響，完成前檔位齒輪設(shè)計(jì)以后，在倒擋轉(zhuǎn)動(dòng)比的基礎(chǔ)上可以對(duì)倒擋齒輪的各參數(shù)進(jìn)行核算，齒輪系體積公式如下：

（2）

式（2）中：β1為i擋齒輪的螺旋角;bi為齒輪寬度;mn為齒輪模數(shù);i=1、2、3、4、5。

以變速器傳動(dòng)比作為基礎(chǔ)，將式（2）轉(zhuǎn)換為函數(shù)，表達(dá)形式為F（X）=V。在確定了設(shè)計(jì)變量以后，建立約束條件，解目標(biāo)函數(shù)，使變速器齒輪系的體積縮小，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化、可靠性。設(shè)計(jì)變速器的過(guò)程中存在諸多因素影響齒輪，致使變速器的復(fù)雜性有所提升，因此為了最大程度上簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只選擇將重要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量考慮進(jìn)去，公式如下：

X=[x1，x2，x3，x4...x17]=[i1，i2，i3，z1，z2，mn1，mn2，

mn3，m4，β1，β2，β3，b1，b2，b3，b4]T5 （3）

3 確定約束條件

3.1 變速器轉(zhuǎn)動(dòng)比約束

對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)比存在較多的約束因素，具體包括最低車速、最大爬坡度、車輛附著力等。[5]車輛在路面正常行駛，需要在確保驅(qū)動(dòng)輪不打滑的前提下，以驅(qū)動(dòng)輪、附著力作為約束條件依據(jù)，計(jì)算最大轉(zhuǎn)動(dòng)比，公式如下：

Tmax*i0*i1*ηT≤Fn*Φ*R （4）

G3（X）=i1-≤0 （5）

Fn=（Xcosα+shgsinα） （6）

Temax為引擎最大轉(zhuǎn)矩。將爬坡度作為主要依據(jù)公示如下：

G4（X）= （7）

3.2 中心距約束條件

中心距直接關(guān)系到變速器的體積，因此需要對(duì)中心距進(jìn)行約束，從而實(shí)現(xiàn)變速器輕量化。首先需要確保齒輪組滿足變速器運(yùn)行強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上最大程度縮小中心距數(shù)值，使變速器的傳動(dòng)比達(dá)到最大，同時(shí)確保發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。

4 連接優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于汽車的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)而言，連接具有至關(guān)重要的作用，因此需要設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的方案，最大程度上確保連接的可靠性。[6]設(shè)計(jì)連接的過(guò)程中，需要結(jié)合鏈接信息、結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一處理，而不是僅僅對(duì)某一個(gè)因素考慮。整合的機(jī)械零件具有較高的復(fù)雜性，為了最大程度上確保連接的質(zhì)量與效率，第一步就是鉚釘與螺栓的連接，這一步關(guān)系到位置的精準(zhǔn)效果。為了保證機(jī)械零件的實(shí)際承受力可以達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)，可使用加工鍵槽、鉆孔的方式進(jìn)行評(píng)判，同時(shí)注意接頭的強(qiáng)度、耐磨性。

5 軸承優(yōu)化

合理的軸承設(shè)計(jì)可以更加有利于安裝傳動(dòng)部件，可以使變速軸承的流暢程度與整體性得到提升。站在整體性的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)者在優(yōu)化軸承的工作中主要是確保軸承的強(qiáng)度與剛度，需要對(duì)軸承制造的材料、重量進(jìn)行科學(xué)選擇，從而確保軸段直徑符合實(shí)際需求，同時(shí)也為其他零件的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。[7]對(duì)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的分析與設(shè)計(jì)，定力載荷位置會(huì)形成相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力載荷，其可靠性可以為軸承質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)奠定參考基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

本次研究中對(duì)汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行分析，首先對(duì)機(jī)械式變速器進(jìn)行介紹，包括機(jī)械式變速器可以充分發(fā)掘引擎動(dòng)力、帶來(lái)更好的駕駛操縱體驗(yàn)、對(duì)駕駛員駕駛水平最有效的考量標(biāo)準(zhǔn);對(duì)汽車機(jī)械式變速器的具體優(yōu)化進(jìn)行分析，包括齒輪參數(shù)、齒輪強(qiáng)度與尺寸計(jì)算、變速器模型;對(duì)確定約束條件進(jìn)行分析，包括變速器轉(zhuǎn)動(dòng)比約、中心距約束條件;對(duì)連接優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析;對(duì)軸承優(yōu)化進(jìn)行分析。

對(duì)于手動(dòng)機(jī)械式變速器而言，提升驅(qū)動(dòng)控制器的性能、滿足安全駕駛的需求，需要對(duì)機(jī)械式變速器進(jìn)行深入分析?，F(xiàn)如今，我國(guó)大部分的汽車生產(chǎn)制造商的變速器都為機(jī)械式，因此這注定了機(jī)械式變速器在我國(guó)未來(lái)的汽車行業(yè)是主流的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)機(jī)械式變速器的過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際需求展開全面分析，滿足變速器的可靠性、安全性需求。

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