汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)路徑分析

梁博

摘要：通過針對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以有效提高其使用性能及穩(wěn)定性，從而更好的滿足汽車安全行駛需求，提高車輛的駕駛安全和整體性能。為此，本文首先闡述了汽車機(jī)械式變速器的設(shè)計原則與發(fā)展現(xiàn)狀，之后分別針對其優(yōu)化設(shè)計方法及實現(xiàn)路徑進(jìn)行了系統(tǒng)化的分析與研究，并提出一些想法與建議，希望可以有效促進(jìn)我國汽車機(jī)械式變速器整體性能的大幅提升。

Abstract： By optimizing the design of automobile mechanical transmission， it can effectively improve its performance and stability， so as to better meet the needs of automobile safety driving， and improve the driving safety and overall performance of the vehicle. To this end， this article first explains the design principles and development status of automotive mechanical transmissions， and then systematically analyzes and studies its optimization design methods and implementation paths， and puts forward some ideas and suggestions， hoping to effectively promote my country's automobiles The overall performance of the mechanical transmission has been greatly improved.

關(guān)鍵詞：汽車機(jī)械式變速器;優(yōu)化設(shè)計;實現(xiàn)路徑

Key words： automobile mechanical transmission;optimal design;realization path

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0066-03

0? 引言

現(xiàn)如今，汽車不僅僅是人們?nèi)粘３鲂械拇焦ぞ撸巧鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，汽車人均保有量呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。在這種情況下，對于汽車整體性能及行駛安全提出了更高的要求。而機(jī)械變速器作為汽車當(dāng)中的一個重要構(gòu)件，其使用性能直接關(guān)系到汽車行駛速度以及行駛安全。因此，有必要針對汽車機(jī)械式計變速器開展優(yōu)化設(shè)計，并且積極探索其優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)路徑，使機(jī)械式變速器呈現(xiàn)出更高的質(zhì)量與性能，助力我國汽車行業(yè)的整體發(fā)展。

1  機(jī)械式變速器的設(shè)計現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，自動變速器技術(shù)主要在汽車制造中應(yīng)用較為廣泛。但是，該項技術(shù)雖然融合了行星齒輪組合和液力變速器的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢，但也存在著傳遞動力效率低、零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)成本高、保養(yǎng)難度大等眾多弊端問題。伴隨著無級變速器的誕生與應(yīng)用，在很大程度上提高了汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。這項技術(shù)可以在連續(xù)時間內(nèi)使傳動比發(fā)生改變，從而實現(xiàn)與發(fā)動機(jī)之間的高效配合。液體變速器的工作原理與無極變速器的工作原理截然不同，前者具有更強(qiáng)的沖擊能量和吸收度。

2? 機(jī)械式變速器的優(yōu)化設(shè)計

2.1 合理確定齒輪參數(shù)

在針對汽車機(jī)械變速齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，主要包括以下環(huán)節(jié)：第一，確定合理的齒輪參數(shù)。設(shè)計人員依據(jù)傳遞結(jié)構(gòu)、扭矩和工藝等具體情況，確定中心距和初選模數(shù)。由于機(jī)械式變速器重量會隨著中心距的增大而增加，所以模數(shù)大小對于齒輪強(qiáng)度存在較大影響。對此，建議借助專用公式對模數(shù)、壓力角和齒輪寬度進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)定。而齒輪的接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度會隨著壓力角的增大而增大，所以同樣需要借助公式完成齒角的計算，避免因齒角過大增加齒輪負(fù)載，導(dǎo)致齒輪承載能力下降。尤其在確定齒數(shù)時，要針對變位系數(shù)和軸承軸向力進(jìn)行計算。之后，再根據(jù)計算結(jié)構(gòu)確定齒輪齒數(shù)。同時，針對齒輪失效原因進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，有針對性的提高其承載力，并且合理確定變位系數(shù);第二，齒輪尺寸及強(qiáng)度計算。在齒輪參數(shù)設(shè)計中，會同時涉及到眾多參數(shù)，比如分度元直徑、基圓直徑、公法線長度、變位系數(shù)、節(jié)圓直徑等等。在計算時，需要采用正確并且適合的方法，方可有效保證計算結(jié)果的精準(zhǔn)性與有效性。在判斷機(jī)械式變速器齒輪是否具備有效性時，主要依據(jù)齒輪強(qiáng)度的計算結(jié)果地行判斷。如果齒輪存在故障或者出現(xiàn)齒面點蝕、輪齒折斷、齒面膠合等問題時，要確認(rèn)齒面是否具有抗點蝕能力。只有具備這種能力，該齒輪才能正常工作。在動力傳遞的過程中，需要齒輪始終處于懸臂狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，方可有效開展優(yōu)化設(shè)計，并且借助此優(yōu)化設(shè)計使汽車機(jī)械式變速器的整體性能獲得有效提升。

2.2 基于設(shè)計模型進(jìn)行分析

在針對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中，要優(yōu)先解決機(jī)械式變速器輕量化設(shè)計與可靠性設(shè)計之間的矛盾，使二者呈現(xiàn)出較好的平衡關(guān)系?？s小機(jī)械式變速器齒輪的體積，是實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的有效途徑，也可以將其稱之為輕量化設(shè)計。由于機(jī)械式變速器的齒輪數(shù)量較多，所以通過針對齒輪體積之和進(jìn)行輕量化設(shè)計。在下列公式中，bi表示齒輪寬度，di表示齒輪分度圓直徑：

由于機(jī)械式變速器采用的是漸開線圓柱齒輪，所以兩個齒輪在嚙合狀態(tài)下，各自的分度圓模數(shù)和壓力角相等，倒檔齒輪與一檔齒輪之間取相同數(shù)值的模數(shù)和螺旋角即可。但是，由于倒檔齒輪的體積直接受到倒檔傳動比影響，所以在開展優(yōu)化設(shè)計之前，根據(jù)倒檔轉(zhuǎn)動比計算出倒檔齒輪的其他參數(shù)。在下列公式中，υ代表齒輪系體積;βi代表第i檔齒輪的分度圓柱螺旋角;bi代表五個齒輪的齒寬;mni代表第i檔齒輪法向模數(shù)，其中i=1，2，3，4，5; zi代表齒輪齒數(shù)，其中i=1，2，…，10，

在優(yōu)化設(shè)計的過路中，需要以變速器各檔傳動比之間的關(guān)系作為主要設(shè)計依據(jù)，并且將公式轉(zhuǎn)換成表達(dá)式為：F（x）=V。

當(dāng)設(shè)計變量確定之后，便可以制訂各種約束條件。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的求解，達(dá)到縮小汽車機(jī)械式變速器齒輪系統(tǒng)體積和輕量化設(shè)計的目的。在實際設(shè)計的過程中，由于變速器存在眾多技術(shù)參數(shù)和諸多影響因素，直接加大了機(jī)械式變速器設(shè)計的復(fù)雜程度和整體難度。為此，本文以探尋優(yōu)化設(shè)計思路為目的，只針對那些主要參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計變量進(jìn)行探究，如公式：x=[x1，x2，x3…x17]T=[i1，i2，i3，z1，z2，mn1，mn2，mn3，mn4，β1，β2，β3，β1，β2，β3，β4]T

2.3 確定優(yōu)化設(shè)計的約束條件

2.3.1 變速器最大傳動比約束條件

對于汽車傳動系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)動比而言，存在眾多約束條件，例如汽車附著力、最低穩(wěn)定車速及最大爬坡度等等。只有針對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與合理設(shè)定，方可確保車輛在行駛過程中不會出現(xiàn)驅(qū)動輪打滑現(xiàn)象，減少其安全風(fēng)險隱患。下列三個公式是以驅(qū)動輪與路面的附著條件為依據(jù)，確定相關(guān)約束條件。在下列三個公式當(dāng)中，i0表示主減速器傳動比，i1表示變速器1擋傳動比，約束條件以最大爬坡度為依據(jù)具體如式與i1相乘得到最大傳動比[1]：

下列公式是根據(jù)最大爬坡度為依據(jù)所得出約束條件。在此式當(dāng)中，m所代表的是汽車總質(zhì)量;amax代表的是汽車最大爬坡度;rr代表車輪的滾動半徑;f代表的是道路滾動阻力系數(shù)，轎車的道路滾動阻力系數(shù)為f=0.0165+0.0001（Vmax-50）;L代表的是汽車軸距;φ表示驅(qū)動輪和路面的附著系數(shù);Fn代表的是驅(qū)動輪上法向反作用力;ηT傳動系機(jī)械效率（取值為0.835）;Tcmax代表的是發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：

2.3.2 中心距約束條件

變速器的體積大小主要取決于中心距的最終設(shè)定。因此，在針對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，要著重針對中心距約束條件進(jìn)行合理設(shè)定，以此來達(dá)到輕量化設(shè)計要求，同時滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。在優(yōu)化設(shè)計的過程中，要最大程度降低中心距A的數(shù)值，以此來擴(kuò)大變速器最大傳動比的數(shù)值，還要以取得最大化的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為目的，對設(shè)計方案進(jìn)行綜合考慮。其公式共有以下三種：

如果齒輪的傳動軸向重迭系數(shù)為：εβ=bsinβ/πmn≥1。那么，則意味著可以保證齒輪的平穩(wěn)性，進(jìn)而得出下列約束條件公式：G17=πmni-bsinβi≤0。

對于轎車而言，模數(shù)約束mni的取值范圍以2.25-3.0之間為宜;而螺旋角約束的中間軸式變速器βi的取值范圍以22～34°之間為宜;齒寬約束b1的取值范圍以7.0mni或者8.6mni最為適宜;當(dāng)常嚙合齒輪副處于傳動狀態(tài)時，齒寬不得小于其他齒輪副齒寬，即b1≥bi，i=2，3，4，5。只有這樣，才能保證車輛傳動系統(tǒng)具備較高的平穩(wěn)性，同時使齒輪具備理想的使用壽命[2]。

3? 實驗優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果

為了保證汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計的可靠性與科學(xué)有效性，本文采用的是多目標(biāo)函數(shù)法探索具體的優(yōu)化設(shè)計途徑，并且將多目標(biāo)問題歸結(jié)為二個目標(biāo)問題。然后，再采用線性加權(quán)和法以及決策方法進(jìn)行求解。其中，目標(biāo)函數(shù)主要通過統(tǒng)一目標(biāo)法，即：針對每一個目標(biāo)事先擬定一個期望值，在以滿足這一期望值為目標(biāo)，找到與期望值最接近的解。此外，還應(yīng)用了線性加權(quán)法。其具體應(yīng)用策略為：先按各個目標(biāo)的重要性賦予其相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，然后再針對其線性組合進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃問題求解。通過將其轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，最終形成一個評價函數(shù)，權(quán)系數(shù)為各單元最優(yōu)化值的倒數(shù)。如果兩個目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)分別用W1和W2表示，兩個目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值分別用F1*（X）和F2*（X）表示，分別得出以下三個公式：minF（X）=W1F1（X）+W2F2（X），W1=1/F1*（X），W2=1/F2*（X）

為了最大限度提高優(yōu)化程度，筆者建議在優(yōu)化設(shè)計中采用VB編程語言和多重循環(huán)方法。通過這種方式，使局部解及離散變量等問題得到有效突破。在實際優(yōu)化設(shè)計的過程中，優(yōu)先針對F1*（X）和F2*（X）進(jìn)行優(yōu)化，并由引獲取加權(quán)系數(shù)W1和W2，針對各檔傳動齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，建議運用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計[3]。其優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

通過表1當(dāng)中的數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后，第i檔當(dāng)中的齒輪分度圓柱螺旋角由βi、齒輪法向模數(shù)mni、齒輪數(shù)Z、齒輪寬度b的數(shù)值均呈現(xiàn)出不同程度的下降。與優(yōu)化之前相比，模數(shù)、齒數(shù)、齒寬的數(shù)值均有所縮減，此結(jié)果足矣證明，各項優(yōu)化參數(shù)設(shè)置達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計的目的，尤其從變速器齒輪系體積的上看，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計之后已經(jīng)明顯降低。這就意味著汽車機(jī)械式變速器的可靠性及平衡性將獲得顯著提升。不僅體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計的綜合價值，更為變速器系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展提供了參考數(shù)據(jù)與決策支持[4]。

4? 結(jié)語

為了推動汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，不斷提高汽車驅(qū)動控制器的整體性能，使其更好的滿足車輛安全行駛需求。有必要采用科學(xué)合理的方式針對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。與此同時，積極探索汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)路徑，通過這種方式，針對優(yōu)化之后的模數(shù)、齒數(shù)、齒寬、螺旋角等各項約束條件進(jìn)行檢驗，確保機(jī)械式變速器設(shè)計的有效性與合理性，使其在實際應(yīng)用中呈現(xiàn)出更加穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的性能。

參考文獻(xiàn)：

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