汽車(chē)機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

梁居正

摘要：機(jī)械式變速器是使汽車(chē)前進(jìn)與倒退的傳動(dòng)裝置，其高效率的傳動(dòng)作用是其他變速器無(wú)法取代的。采用機(jī)械式變速器的汽車(chē)可以很好的鍛煉?cǎi){駛員的協(xié)調(diào)性，并給與駕駛員較好的超車(chē)體驗(yàn)。強(qiáng)大的牽引力量使得汽車(chē)在換擋時(shí)有沖擊感和不夠穩(wěn)定等問(wèn)題，汽車(chē)制造相關(guān)行業(yè)仍然需要對(duì)此進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。文章結(jié)合變速器傳動(dòng)裝置的可靠性分析，總結(jié)出汽車(chē)機(jī)械式變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

中圖分類號(hào)：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0013-02

0? 引言

隨著科技的進(jìn)步，變速裝置得到了多樣化發(fā)展，盡管大多數(shù)的司機(jī)還是習(xí)慣于傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器，但是自動(dòng)變速器和無(wú)極變速器在市場(chǎng)的大力普及，給機(jī)械式變速器帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。AMT（機(jī)械式自動(dòng)變速箱）技術(shù)的出現(xiàn)給機(jī)械式變速器帶來(lái)了新的生機(jī)。在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)等多種技術(shù)的綜合支撐下，機(jī)械式變速器的系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提升，換擋時(shí)掌握更為精確，操作較為順暢，沖擊感降低，使駕駛員有動(dòng)力十足且較為穩(wěn)定的駕駛體驗(yàn)。可見(jiàn)對(duì)應(yīng)用機(jī)械式變速器的汽車(chē)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)一直具有較大的顯示意義[1]。

1? 變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)原理探討

在汽車(chē)變速過(guò)程中，變速器是變速傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)揮主要作用。變速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是變速器的兩大組成部分，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速器的傳動(dòng)作用，普通齒輪可以勝任大部分傳動(dòng)情況，必要特殊時(shí)候使用行星齒輪傳動(dòng)。汽車(chē)變速傳動(dòng)原理依靠齒輪傳動(dòng)比和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)矩的不同變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到用戶不同駕駛環(huán)境下對(duì)汽車(chē)牽引力和運(yùn)行速度的多樣化需求。行駛過(guò)程中通過(guò)換擋來(lái)操縱變速箱中不同的齒輪副進(jìn)行工作，行駛速度較慢的時(shí)候，讓傳動(dòng)比大的齒輪副工作，行駛速度較快的時(shí)候，讓傳動(dòng)比小的齒輪副工作。只有將可靠性作為機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行全面分析，才能使系統(tǒng)設(shè)定方案的可靠性最大化。綜合考慮影響機(jī)械系統(tǒng)性能的因素，協(xié)調(diào)機(jī)械系統(tǒng)的成本、時(shí)間、質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)。在汽車(chē)機(jī)械式系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能的前提下，整合一切有利因素，消除不利因素的影響，打造系統(tǒng)全方位的可靠性設(shè)計(jì)。通常有兩種關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方案，一種是以汽車(chē)機(jī)械系統(tǒng)所需內(nèi)部零件為主體，內(nèi)部各零件的數(shù)據(jù)分析和整合后系統(tǒng)的可靠性水平進(jìn)行對(duì)比，選擇出可靠性較高的設(shè)計(jì)方法;另一種是以系統(tǒng)整體的可靠性能為基礎(chǔ)，達(dá)到預(yù)定指標(biāo)前提下對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部零件進(jìn)行整合，從多種整合方案得到可靠性最高的設(shè)計(jì)組合。

2? 變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性相關(guān)分析

2.1 變速齒輪的可靠性分析

機(jī)械器件在外部設(shè)計(jì)方面要向體積小、重量輕、成本低的方向靠近，對(duì)于汽車(chē)變速器來(lái)說(shuō)，其體積大小對(duì)整體可靠性指標(biāo)相當(dāng)重要，變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積縮小、質(zhì)量減輕有利于汽車(chē)整體重量的集中，這樣能保證行車(chē)的超高穩(wěn)定性。變速器主要傳動(dòng)功能來(lái)源于齒輪系，所以齒輪系的大小與變速器的體積大小息息相關(guān)，因此，此變速齒輪的可靠性設(shè)計(jì)也是汽車(chē)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。在進(jìn)行齒輪系可靠性分析時(shí)，可以將空心結(jié)構(gòu)看作實(shí)心結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化齒輪設(shè)計(jì)分析的難度。另外也要考慮到提高齒輪的重合度，齒輪傳動(dòng)重合度越高，傳動(dòng)系統(tǒng)越平穩(wěn)，可以降低齒輪工作的噪音，以提高汽車(chē)行駛操縱過(guò)程的動(dòng)載荷控制水平[2]。

2.2 變速器軸的可靠性分析

變速器中軸構(gòu)件是負(fù)責(zé)將駕駛員操控力進(jìn)行傳遞的機(jī)械器件，軸構(gòu)件作用的重要性決定了其組成是較為復(fù)雜的，主要構(gòu)成為齒輪安裝段、過(guò)渡段、軸頸段與軸肩段。變速器軸構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性都決定了變速器的可靠性。按照機(jī)械器件普遍優(yōu)化方向，應(yīng)減輕變速器軸的重量，縮小其占用空間，以此增加變速器軸的傳動(dòng)靈活力，給駕駛員帶來(lái)較為流暢的行車(chē)體驗(yàn)。通常會(huì)選擇前兩個(gè)軸和中間軸以及倒擋軸等軸構(gòu)件進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。這四根軸中可靠性分析的重點(diǎn)是第一軸，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)最復(fù)雜，而且其他軸可以參考第一軸的可靠性分析。

2.3 花鍵的可靠性分析

花鍵是變速器另一重要組成部分，在機(jī)械式系統(tǒng)中很常見(jiàn)，花鍵是多齒的，齒根相同且較小，多齒的結(jié)構(gòu)使得花鍵擁有較好的荷載承載水平，另外其導(dǎo)向性和對(duì)中性都較好。在變速器進(jìn)行傳動(dòng)的過(guò)程中，花鍵淺小的齒根使其應(yīng)力水平不高，能保證變速器的整體剛度。因此對(duì)花鍵的可靠性研究有助于提高變速器的整體可靠性。在工況條件下，花鍵受擠壓的應(yīng)力計(jì)算表示為：

可使用正態(tài)分布規(guī)律得到花鍵強(qiáng)度及應(yīng)力分布，聯(lián)立參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而求解花鍵結(jié)構(gòu)可靠度系數(shù)[3]。

2.4 軸承的可靠性分析

在多數(shù)機(jī)械設(shè)備中只要使用到軸承，其主要功能都是提供相應(yīng)的支撐，受徑向載荷和橫向載荷。變速箱內(nèi)的軸承雖然看上去并沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸部位的軸承結(jié)構(gòu)重要，但是其直接關(guān)乎到汽車(chē)整體的可靠性，因此結(jié)合軸承的外形、尺寸、安裝方式等進(jìn)行可靠性分析是非常必要的。變速器軸承種類較多，汽車(chē)使用的軸承類型一般是徑向球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承等，對(duì)軸承的可靠性分析有利于將汽車(chē)向小型化、輕量化方向發(fā)展，也有利于延長(zhǎng)汽車(chē)的使用壽命。在可靠性分析中要考慮到軸承使用過(guò)程會(huì)有接觸磨損，這會(huì)對(duì)動(dòng)載荷產(chǎn)生影響。

3? 變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)

3.1 可靠度分配

為達(dá)到汽車(chē)機(jī)械變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的綜合指標(biāo)，在滿足系統(tǒng)質(zhì)量可靠、牽引力十足等各項(xiàng)前提下，對(duì)汽車(chē)零件也進(jìn)行全面可靠度分配，以降低變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的成本、減輕重量、簡(jiǎn)化工藝程度等。圖1為汽車(chē)機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分解。

由圖1可見(jiàn)，變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括變速齒輪、花鍵、變速器軸、軸承，因此分別對(duì)這些組成部分進(jìn)行可靠度分配。對(duì)變速齒輪的可靠度分配中，用RL接表示齒輪接觸強(qiáng)度，用RL彎表示齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，對(duì)變速器軸的可靠度分配中，用RS剛表示軸疲勞剛度，RS強(qiáng)表示強(qiáng)度，對(duì)花鍵的可靠度分配中，RJ強(qiáng)表示花鍵疲勞強(qiáng)度。因?yàn)檩S承在汽車(chē)維修中更換方便，所以變速器可靠度分配中不考慮軸承的因素。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠度呈串聯(lián)模式，則變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體可靠度計(jì)算公式為：RS=RL接×RL彎×RJ強(qiáng)×RS剛×RS強(qiáng)。

3.2 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

綜合考慮零部件的尺寸、強(qiáng)度、重量等因素，利用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)設(shè)計(jì)可靠度實(shí)驗(yàn)，并得出最優(yōu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的較高可靠性。圖2為可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的算法流程。

首先，確認(rèn)目標(biāo)函數(shù)。變速器齒輪系的體積和傳動(dòng)負(fù)荷是對(duì)多變速器可靠度影響較大的因素，因此選擇體積和傳動(dòng)負(fù)荷作為研究目標(biāo)。變速器的體積減小，有利于汽車(chē)造價(jià)的降低，另外重量集中有利于汽車(chē)行駛過(guò)程中整體的穩(wěn)定。齒輪重合基礎(chǔ)大于1，而且參與嚙合的齒數(shù)越多，齒輪件傳動(dòng)的重合度就越大，將載荷能力分配到較多的齒數(shù)上，可以減輕單個(gè)齒數(shù)的動(dòng)載荷量，減少噪音的產(chǎn)生和摩擦損耗，提高傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和傳動(dòng)可靠性。然后，選擇設(shè)計(jì)變量。零件部的多種尺寸、規(guī)格等都屬于變量，可以選擇齒輪系的五檔變速比、參與嚙合的齒輪數(shù)、齒寬等作為變量進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，確定約束條件。在可靠性設(shè)計(jì)中，參數(shù)的設(shè)計(jì)都有約束條件，像變速器五檔傳動(dòng)比之間比值的約束、齒輪系間參與嚙合的齒輪數(shù)約束、變速器組件最大載荷力約束等[4]。

3.3 變速器軸可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)結(jié)構(gòu)尤其是變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中軸的結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，軸頸、軸肩、中間軸等，汽車(chē)整體可靠性設(shè)計(jì)要充分考慮軸的承受能力，在此基礎(chǔ)下將變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向輕量化改進(jìn)。縮短軸之間的距離可以增加其承重能力，提高軸承的工作性能。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)輸入軸進(jìn)入變速器，帶動(dòng)齒輪將動(dòng)力傳輸?shù)捷敵鲚S，這一過(guò)程中，每部分軸件的剛度都非常重要。軸的扭轉(zhuǎn)角度、軸截面偏轉(zhuǎn)角度都影響到變速器的可靠性。階梯軸的復(fù)雜程度相對(duì)較小，可以借助階梯軸完成等截面軸的作用。軸結(jié)構(gòu)的截面強(qiáng)度和受力變化都是正態(tài)分布，因此對(duì)變速器軸的可靠性優(yōu)化要充分結(jié)合軸的特殊結(jié)構(gòu)，以更好分析軸組建每部分的受力情況和自身的承載力情況，計(jì)算出力矩大小及受力方向，優(yōu)化彎矩、轉(zhuǎn)矩以及軸徑的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變速器軸的較高可靠性。

3.4 聯(lián)接可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車(chē)變速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的整體，因此需要將各部分很好地聯(lián)接起來(lái)，為滿足聯(lián)接可靠性要求，應(yīng)從整體的配合度出發(fā)，綜合考慮到各零件的形狀、尺寸、耐磨度和強(qiáng)度，使用聯(lián)接結(jié)構(gòu)，保證其協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能只單獨(dú)考慮某個(gè)零件的特性，眾多機(jī)械零件結(jié)合起來(lái)，有很多種可能，運(yùn)行結(jié)果是復(fù)雜多變的。為保證各零件的高效聯(lián)接，需要借助螺栓、鉚釘或鍵等固定件，保證聯(lián)接以后各零件位置準(zhǔn)確、配合度高、聯(lián)接順滑。當(dāng)然也需要聯(lián)接結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的荷載力，可按照汽車(chē)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際特點(diǎn)通過(guò)鉆孔、加工鍵槽等具體方式來(lái)進(jìn)行承載力提升。最后，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)器件，降低聯(lián)接失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4? 結(jié)語(yǔ)

變速器是汽車(chē)對(duì)行駛速度的關(guān)鍵控制機(jī)構(gòu)之一，其可靠性很大程度上關(guān)乎到汽車(chē)整體的穩(wěn)定性、變速順滑性以及汽車(chē)使用壽命等。雖然當(dāng)下自動(dòng)變速式汽車(chē)產(chǎn)量正在增多，但是很多品牌的汽車(chē)都不會(huì)輕易放棄眾多司機(jī)喜愛(ài)的機(jī)械式變速器。本文從多方面分析了機(jī)械式變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性，建設(shè)了變速器可靠性模型。當(dāng)然，仍然有很大的進(jìn)步空間有待于汽車(chē)研究者的深入探索，以更好地提升我國(guó)汽車(chē)機(jī)械式變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的的可靠性設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)：

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