汽車機(jī)械式變速器多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計

陳康

摘要：本文選擇以我國汽車的實(shí)踐應(yīng)用情況為根據(jù)，切實(shí)根據(jù)汽車有關(guān)動力性標(biāo)準(zhǔn)，在保障零件剛度可靠性以及強(qiáng)度的前提之下，根據(jù)變速器齒輪系體積最小，以及傳動齒輪重合度最大為基礎(chǔ)，構(gòu)建起變速器多目標(biāo)可優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過最終研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本次教學(xué)模型的應(yīng)用正確，同時選擇多目標(biāo)可靠性設(shè)計方式，能夠最大程度上降低汽車變速器設(shè)計周期，同時充分降低其體積，并進(jìn)一步完善傳動平穩(wěn)性能。

Abstract： This paper chooses the practical application of Chinese automobiles as the basis， practically according to the relevant automobile dynamic standards， on the premise of ensuring the rigidity， reliability and strength of parts， and based on the minimum volume of transmission gear train and the maximum coincidence degree of transmission gears， and constructs a multi-objective optimization design mathematical model of transmission. After the final research results， it can be found that the application of this teaching model is correct， and choosing the multi-objective reliability design method can minimize the design cycle of automobile transmission， at the same time fully reduce its volume， and further.

關(guān)鍵詞：汽車機(jī)械式;變速器;多目標(biāo)可靠性優(yōu)化

Key words： automobile mechanical type;transmission;multi-objective reliability optimization

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0014-03

0 ?引言

作為汽車構(gòu)成中的關(guān)鍵部件，變速器性能的好壞將在很大程度上影響到汽車的經(jīng)濟(jì)性以及動力性。同時其也在很大程度上影響到汽車能夠保證平穩(wěn)運(yùn)行。但在實(shí)踐應(yīng)用中，機(jī)械式變速器也擁有許多缺點(diǎn)，例如操作缺乏便捷性、換擋沖擊力相對較大、汽車空間占用較大等一系列缺點(diǎn)。

1 ?汽車機(jī)械式變速器

對于汽車機(jī)械式變速器而言，其在汽車行駛過程中的主要作用，是使駕駛員能夠在駕駛過程中依托操作桿，使不同齒輪位置變發(fā)生變動，并在這一過程中，充分實(shí)現(xiàn)差異化速度的傳遞。在汽車機(jī)械式變速器的誕生時期，其檔位選擇空間相對較少，對于駕駛員的操作要求也相對較高。自上世紀(jì)五十年起，擁有五個檔位的汽車變速器正式面世，這一變速器應(yīng)用模式一直持續(xù)至今。對于汽車機(jī)械師變速器本身而言，其內(nèi)部存在的齒輪組是無法被移動的，其中每一齒輪的齒數(shù)都有著各自的對應(yīng)檔位，齒輪適量在不同檔位下的數(shù)量差值始終不變。另外，汽車變速器的另一個關(guān)鍵功能，是提供差異化操作效果的軸桿傳動比，以此為基礎(chǔ)能夠創(chuàng)造與之相對應(yīng)的輪軸轉(zhuǎn)動速度，達(dá)到汽車自由切換駕駛速度的目的。此外，其對于汽車行駛過程中的穩(wěn)定性也提出了要求，實(shí)際要求如下所述：

首先，機(jī)械式變速器必須在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)向不出現(xiàn)變化的前提下，充分完成車輛的動態(tài)操作，包括前進(jìn)、后退等。當(dāng)變速器處于離開狀態(tài)時，應(yīng)當(dāng)保障汽車維持在空擋狀態(tài)，并自動切斷發(fā)動機(jī)的扭矩傳輸，保障汽車可以實(shí)現(xiàn)迅速、精確換擋。這樣的機(jī)械式變速優(yōu)點(diǎn)涉及到多個方面，特別是其由于制造工藝相對成熟，投入成本較低，因此機(jī)械式變速器也逐漸成為了大部分汽車的零用部件。

2 ?汽車機(jī)械式變速器存在問題

首先，在常規(guī)情況下，汽車整車的構(gòu)成設(shè)計工作，應(yīng)當(dāng)依托車體外形、汽車品牌性外觀表示等多位主要參考根據(jù)，其次，汽車內(nèi)部各個零部件共同組成的單元系統(tǒng)是否具備合理性，則是汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的設(shè)計確認(rèn)點(diǎn)。最后，汽車的動力系統(tǒng)能否為汽車的形式提供優(yōu)秀的動力輸出。這三個方面的因素是汽車設(shè)計過程中需要重點(diǎn)考慮的因素。這也意味著汽車機(jī)械式變速器也同樣要遵循上述總體原則進(jìn)行設(shè)計?，F(xiàn)階段，國際汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，逐漸面向著節(jié)能減排、輕量化、科技化的方向發(fā)展，而機(jī)械式變速箱的應(yīng)用優(yōu)勢，就在于其擁有改變發(fā)動機(jī)速率輸出的可靠性以及平滑性。變速器的未來發(fā)展需求同樣是保障汽車在實(shí)現(xiàn)變速的基礎(chǔ)之上，使其穩(wěn)定性得到提升。因此現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)設(shè)計過程中，必須根據(jù)各個機(jī)械式變速器的細(xì)節(jié)以及機(jī)械點(diǎn)等展開綜合考慮，這一過程中得出的測量數(shù)值將會影響到最終整體運(yùn)作的效果。但立足于現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有的機(jī)械式變速器依然存在測試過程受限于科技水平，無法達(dá)到設(shè)想中的理論要求。同時零部件、車體等方面的設(shè)計過程中會對變速器設(shè)計造成制約。

3 ?機(jī)械式變速器設(shè)計特點(diǎn)

在實(shí)踐設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)重視機(jī)械式變速器的動力要求，保障其能夠充分滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并確保其可以用于實(shí)踐當(dāng)中[1]。目前階段，我國的機(jī)械式變速器主要應(yīng)用于商業(yè)用車或是貨運(yùn)卡車當(dāng)中，因此研究人員也要注意考慮這一部分實(shí)踐情況，通過這樣的方式保障發(fā)動機(jī)能夠與機(jī)械式變速器之間得到默契配合。通過這樣的方式進(jìn)一步幫助車輛獲得充分的牽引力，切實(shí)提升汽車的承重能力[2]。另外協(xié)調(diào)性也是設(shè)計過程中的一個重點(diǎn)，現(xiàn)階段，我國許多駕校依然在沿用傳統(tǒng)的教練車，也就是應(yīng)用機(jī)械變速器的汽車進(jìn)行教學(xué)，因此必須保障其具有較強(qiáng)協(xié)調(diào)性。才能最大程度上保障學(xué)習(xí)者可以在練習(xí)的過程中，充分控制車輛。最后，汽車具備有較強(qiáng)的安全性和穩(wěn)定性，同樣價格相對較低[3]。

4 ?汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計

本次設(shè)計過程，遵循采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的基本理念，進(jìn)一步使汽車的基礎(chǔ)性能獲得提升，與此同時將數(shù)字化計算與傳統(tǒng)的汽車零部件結(jié)構(gòu)等展開充分融合，在保障汽車安全性的同時，進(jìn)一步提升汽車的穩(wěn)定性及舒適性。

4.1 設(shè)計尺寸參數(shù)優(yōu)化

4.1.1 齒輪參數(shù)確認(rèn)

在這一過程中首先針對初選模數(shù)以及中心距離進(jìn)行確認(rèn)[4]。由于機(jī)械式變速器自我重量，可能由于中心距離的不斷提升而提升，這就導(dǎo)致模數(shù)很有可能會影響到齒輪強(qiáng)度，也正是由于這一原因，在實(shí)踐過程中，設(shè)計人員經(jīng)常選用公式初選的形式，來展開最終模數(shù)參數(shù)的確定工作。其次，針對齒輪寬度、壓力角進(jìn)行選擇，因為常規(guī)情況下，壓力角將始終處于變化的狀態(tài)，可能在很大程度上這個致使壓力角的寬度受到影響。在壓力角不斷提升的情況下，就會使后續(xù)齒抗彎的實(shí)際強(qiáng)度變大。切實(shí)按照供水展開最終計算后能夠得知，如果齒角相對較大，則可能導(dǎo)致負(fù)載等增加，導(dǎo)致最終齒輪承載力降低。最后，通過齒輪齒數(shù)的確定，展開針對變?yōu)橄禂?shù)的計算，同時充分應(yīng)用螺旋角的斜齒輪，能夠切實(shí)提升齒輪的重合力度，其不但能夠進(jìn)一步降低噪音的出現(xiàn)，同時也能切實(shí)提升其最終強(qiáng)度，并相應(yīng)的針對軸承的軸向力進(jìn)行計算，最終得出齒數(shù)的計算結(jié)果。同時通過分析齒輪實(shí)現(xiàn)的原因，進(jìn)一步應(yīng)用針對性措施來提升其承載力。

4.1.2 尺寸參數(shù)、應(yīng)用強(qiáng)度計算

由于尺寸參數(shù)的數(shù)量相對較多，因此在這一過程中需要切實(shí)根據(jù)實(shí)踐情況，進(jìn)一步計算齒輪的應(yīng)用參數(shù)（其中包括分度圓直徑、變位系數(shù)等）。通過這樣的方式進(jìn)一步保障最終計算的準(zhǔn)確率。

另外，想要進(jìn)一步針對機(jī)械式變速器的齒輪有效性進(jìn)行判斷，常規(guī)情況下可以選擇使用齒輪強(qiáng)度計算的方式開展。如果齒輪損壞或是故障問題發(fā)生，齒輪可能會出現(xiàn)膠合或折斷等問題與出現(xiàn)，因此必須切實(shí)提升池面的抗點(diǎn)蝕能力，充分保障齒輪的平穩(wěn)運(yùn)行。通過應(yīng)用有關(guān)公式能夠發(fā)現(xiàn)，動力在保持傳遞的過程中，持續(xù)必須保證在懸臂狀態(tài)下。這樣的舉措能夠保障齒輪可靠性得到提升的同時，切加強(qiáng)汽車機(jī)械式變速器的平穩(wěn)性能。

4.2 機(jī)械式變速器設(shè)計模型

現(xiàn)階段，我國相關(guān)設(shè)計工作的重點(diǎn)研究方向是強(qiáng)量化設(shè)計工作。立足于這一背景下，技術(shù)人員在展開設(shè)計工作過程中，往往會選擇應(yīng)用輕量化設(shè)計的形式，但這種方法最明顯的弊端，就是會在很大程度上影響到汽車的可靠性，這在實(shí)踐中具體表現(xiàn)為汽車頻繁出現(xiàn)故障。為了充分針對輕量化與可靠性之間存在的矛盾問題進(jìn)行探討，實(shí)際展開設(shè)計的過程中，必須清晰探索出這二者之間的密切聯(lián)系。在針對輕量化進(jìn)行設(shè)計的過程中，其中最關(guān)鍵的內(nèi)容是降低變速器齒輪系統(tǒng)的體積，因此這里將目標(biāo)函數(shù)的內(nèi)容選擇為齒輪系統(tǒng)當(dāng)中齒輪體積的和，在這一過程中，齒輪的寬度表示為bi，另外齒輪分度圓的直徑則由di表示，由此能夠得出：

尺寸的轉(zhuǎn)動過程實(shí)踐應(yīng)用的齒輪類型，在常規(guī)情況下形狀表現(xiàn)為圓柱形。這就致使當(dāng)后續(xù)要交與齒輪的分度圓模式之間呈現(xiàn)出咬合的形態(tài)之后，可能會導(dǎo)致一檔與倒擋之間的齒輪會應(yīng)用完全相同的模數(shù)值。更嚴(yán)重的可能會使倒擋齒輪自身體積受到倒擋傳動比例的影響。立足于這一問題下，設(shè)計人員在實(shí)踐展開工作時，應(yīng)當(dāng)以倒擋的傳動比作為基礎(chǔ)并展開后續(xù)計算，通過這樣的方式來對倒擋其他類型參數(shù)情況進(jìn)行明確。除此之外，在清晰了全部設(shè)計變量之后，應(yīng)當(dāng)針對有關(guān)約束條件的構(gòu)建工作展開完善，同時以各個目標(biāo)函數(shù)作為基礎(chǔ)求出最終解，以此為前提來達(dá)到降低機(jī)械式變速器系統(tǒng)體積的根本目的，為后續(xù)工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)。

4.3 約束條件的明確

4.3.1 最大傳動比的約束

能夠?qū)е缕噦鲃酉到y(tǒng)最大傳動比受到約束的條件很多，例如，汽車的附著力、最大附著度等，必須保障汽車常規(guī)行駛的過程不可出現(xiàn)打滑情況。因此本文設(shè)置汽車主減速器的傳動比為io，另外一檔傳動比設(shè)置為i1。這二者之間乘積表示為最大傳動比，同時選擇路面的附著條件以及驅(qū)動輪作為實(shí)際約束條件，此處可以得出下列公式：

在公式當(dāng)中，r1可以實(shí)際表示為車輪的實(shí)踐滾動半徑;Φ則表示為路面或是驅(qū)動輪的附著性條件;汽車發(fā)動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩表示為Temax，另外，F(xiàn)n則表示為驅(qū)動輪上方的反作用力，實(shí)際表現(xiàn)為傳動系的機(jī)械效率，在常規(guī)情況下，其取值一般為0.835。

4.3.2 約束中心距

中心距會在一定程度上影響到車輛機(jī)械式變速器的實(shí)際體積，因此在這一過程中應(yīng)當(dāng)針對其展開充分約束，進(jìn)一步保障汽車能夠最大程度上完成輕量化設(shè)計目的，通過這樣的方式保障實(shí)際設(shè)計的強(qiáng)度、內(nèi)容等可以切實(shí)保障實(shí)踐工作需求。在此之后，應(yīng)當(dāng)盡可能保障中心距值被降低，在這一時刻變速器的實(shí)際傳動比較大，另外也要保障發(fā)動機(jī)始終處于較大轉(zhuǎn)矩過程，實(shí)踐公式表示為：，在這一公式中A表示為中心距。

由于齒輪轉(zhuǎn)動過程中的軸向系數(shù)大于等于一，因此為了充分保障齒輪轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性，可以切實(shí)達(dá)到如下的約束條件公式：

在常規(guī)情況下，必須保障常規(guī)齒輪的寬度大于其他齒輪的副齒輪寬度，通過這樣的方式進(jìn)一步保障傳動工作的平穩(wěn)性，與此同時進(jìn)一步延長齒輪的實(shí)際應(yīng)用壽命。在這一過程中，能夠使汽車的實(shí)踐應(yīng)用壽命得到延長，進(jìn)一步保障汽車的穩(wěn)定性以及安全性得到提升。

5 ?機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果研究

5.1 機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化方式

現(xiàn)階段，能夠應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化求解工作的方式相對較多。本文選擇應(yīng)用綜合目標(biāo)方式，進(jìn)一步針對車輛機(jī)械式變速器展開優(yōu)化型設(shè)計。應(yīng)用這一方法的目的，是為了將原本的多目標(biāo)性優(yōu)化問題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終形成統(tǒng)一性目標(biāo)函數(shù)問題，與此同時應(yīng)用單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方式對其進(jìn)行求解。實(shí)踐過程如下所述：

首先，提前給予每一目標(biāo)問題合理的期望值，如果最終表現(xiàn)出的結(jié)果能夠滿足有關(guān)約束條件，并且求解值與期望值相近，則可以由此形成評價函數(shù)。另外，各個單元當(dāng)中的優(yōu)化值倒數(shù)為權(quán)系數(shù)，通過應(yīng)用W1、W2對各個目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行分別表示后可以得出：

minF（X）=W1F1（X）+W2F2（X）

W1=1/F*1（X）

W2=1/F*2（X）

在這一公式當(dāng)中，F(xiàn)1（X）以及F2（X）分表用以表示這兩個目標(biāo)函數(shù)代表的最優(yōu)值。

5.2 機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計分析

為了充分提升優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)度，本文主要通過應(yīng)用多重循環(huán)的方式，進(jìn)一步針對當(dāng)前階段機(jī)械式變速器當(dāng)中出現(xiàn)的離散變量等問題進(jìn)行解決。但在實(shí)踐優(yōu)化的過程中，應(yīng)當(dāng)首先針對目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值展開優(yōu)化，進(jìn)一步保障目標(biāo)函數(shù)中的加權(quán)系數(shù)得到解決，通過應(yīng)用統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)來針對不同檔位的傳動性齒輪展開優(yōu)化，實(shí)踐得到的優(yōu)化結(jié)果，如表2所示。

根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷優(yōu)化設(shè)計工作后得出的齒輪法向模數(shù)、齒輪數(shù)等數(shù)值出現(xiàn)了降低，這也意味著本次多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)置的各類型參數(shù)具備充分的合理性。同時以優(yōu)化后得出的齒數(shù)、齒輪寬度等數(shù)據(jù)與優(yōu)化工作開展前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后可以發(fā)現(xiàn)，齒輪的各項數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢。而機(jī)械式變速器齒輪在經(jīng)歷過優(yōu)化設(shè)計后，其體積也逐漸降低，通過這樣的方式從根本上保障了車輛變速器具備足夠的可靠性。此外這一設(shè)計還使機(jī)械式變速器的可靠性、輕量化之間存在的設(shè)計矛盾得到了有效平衡，充分改善了原有齒輪中心距的變化情況不相同的問題，使車輛在行駛過程中的安全性獲得了保障，并在潛移默化中使車輛的應(yīng)用壽命獲得提升，帶動未來汽車行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

根據(jù)優(yōu)化過后的設(shè)計數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比較后能夠發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計工作后，其中機(jī)械式變速器與車輛系統(tǒng)重合度得到了提升，變速器的體積也得到了降低，這將在極大程度上提升變速器齒輪系統(tǒng)應(yīng)用過程的實(shí)踐性，同時能夠針對車輛機(jī)械式變速器設(shè)計過程中可靠性存在故障問題進(jìn)行探析，具備有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

6 ?結(jié)論

在我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的過程當(dāng)中，由于人們生活方式的持續(xù)改變，也致使人們對于汽車應(yīng)用性、可靠性的標(biāo)準(zhǔn)越來越高。機(jī)械式變速器是導(dǎo)致汽車穩(wěn)定性被影響的關(guān)鍵因素，因此應(yīng)當(dāng)充分針對其可靠性展開綜合優(yōu)化設(shè)計，通過嚴(yán)格把控優(yōu)化程序、明確優(yōu)化設(shè)計工作的未來路徑，科學(xué)設(shè)置齒輪寬度等相關(guān)約束條件，進(jìn)一步提升機(jī)械式變速器的合理性，保障其能夠充分提升汽車行駛過程的安全性。

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