游年華

（閩北職業(yè)技術(shù)學院，福建南平353000）

汽車機械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計

游年華

（閩北職業(yè)技術(shù)學院，福建南平353000）

針對目前汽車機械式變速器的設(shè)計應用缺陷，分析了變速器的設(shè)計應用現(xiàn)狀，并提出了具體的設(shè)計特點和設(shè)計實現(xiàn)方法。其目的是為相關(guān)設(shè)計人員提供一些理論依據(jù)。

汽車機械式變速器；輕量化；可靠性優(yōu)化設(shè)計

隨著我國市場經(jīng)濟發(fā)展進程的不斷加快，汽車使用不斷普及，人們對汽車設(shè)計使用的安全穩(wěn)定性需求越來越高，對汽車駕駛過程中的操控效果及感受也隨之提高，其中汽車機械式變速器是用來保證車輛駕駛操控效果的重要設(shè)計部件之一。但在實際設(shè)計過程中，相關(guān)人員卻沒有將其重視起來，這就在一定程度上阻礙了我國汽車行業(yè)發(fā)展的步伐。基于此，相關(guān)設(shè)計人員應從汽車機械式變速器的設(shè)計特點和設(shè)計方法出發(fā)，來實現(xiàn)變速器的可靠性作用效果。

1 汽車機械式變速器設(shè)計應用現(xiàn)狀

汽車機械式變速器已經(jīng)成為滿足車輛駕駛?cè)藛T需求的重要變速方式，是實現(xiàn)車輛駕駛操控性、安全性的重要零部件，這就意味著設(shè)計人員必須要發(fā)揮出其換擋傳動的作用效果又要滿足駕駛者的操控感受及變速器的使用壽命，這是保證汽車行駛安全性和可靠性的關(guān)鍵。

然而，在目前的設(shè)計應用過程中，由于汽車機械式發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速較高，這就使得最大扭矩和最大功率問題會出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速區(qū)。在此情況下，設(shè)計人員必須通過一套變速裝置，來協(xié)調(diào)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和車輪行駛速度。現(xiàn)階段，隨著科學技術(shù)水平的不斷進步，傳統(tǒng)變速器的設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足汽車機械式變速器的設(shè)計要求。具體來說，汽車零部件設(shè)計人員均將精力集中于實現(xiàn)整備質(zhì)量的降低和平穩(wěn)性，這就使得設(shè)計人員更為關(guān)注汽車使用的輕量化和節(jié)油效果。具體就是通過采用現(xiàn)代設(shè)計方法經(jīng)過精密的數(shù)字運算優(yōu)化設(shè)計，其能夠獲得最佳的設(shè)計功能，或者實現(xiàn)局部零部件及其結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)化，進而實現(xiàn)整車的輕量化，從而促進節(jié)油和低尾氣排放[1]。

2 汽車機械式變速器設(shè)計特點分析

汽車變速器是為汽車運行提供可變速度的重要零部件之一，其中機械式變速器是目前市場上各種汽車變速器中較為古老的一種調(diào)速設(shè)計。由于汽車機械式變速器是通過齒輪組來實現(xiàn)傳動的，其齒數(shù)與各檔的變速比要通過設(shè)計進行固定。因而，設(shè)計人員要在明確汽車機械式變速器設(shè)計特點的基礎(chǔ)上，找出其可靠性優(yōu)化的設(shè)計方法。

首先，設(shè)計人員要保證機械式變速器的作用效果具有極強的傳動能力。例如，卡車和商務的機械式變速器，可靠性設(shè)計不僅要使其能夠承擔高壓和自重，還要與發(fā)動機設(shè)備進行配合以實現(xiàn)車輛的牽引力[2]。

其次，設(shè)計人員還要能夠讓汽車機械式變速器設(shè)計滿足經(jīng)濟適用性以及協(xié)調(diào)性的原則。以駕校用車過程為例，該類車輛均為機械式變速器，這是因為手動換擋不僅能夠鞏固駕駛?cè)藛T的基本用車知識，還能實現(xiàn)練習的安全性和控制便利性。

最后，對于家庭汽車的使用及設(shè)計來說，選擇機械式變速器車輛的性價比最為合算。目前的市場環(huán)境中，機械式變速器在各大汽車品牌的車型中均有使用。相關(guān)研究表明，這類汽車的開車強度較低、誤操作率低、經(jīng)濟實惠且安全穩(wěn)定性較高，因此，被廣泛應用于當前的交通運輸環(huán)境。

3 汽車機械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計

3.1 建立變速器設(shè)計模型

相關(guān)研究表明，汽車零部件設(shè)計的輕量化與可靠性有一定的矛盾關(guān)系，因此，設(shè)計人員在實際的設(shè)計過程中，要注重這兩者之間的平衡。對于汽車機械式變速器的設(shè)計過程來說，其輕量化與可靠性的平衡主要體現(xiàn)在齒輪的傳動變化與換擋變速控制。而這兩個變化因素又是由變速器齒輪系統(tǒng)的體積來決定的，因而，在建立變速器設(shè)計模型時，要以變速器齒輪體積之和最小作為輕量化的設(shè)計目標函數(shù)[3]。具體來說，由于變速器齒輪系統(tǒng)是通過漸開線圓柱齒輪來進行傳動的，模型設(shè)計人員要保證相互嚙合的兩齒輪分度圓模數(shù)相等、分度圓壓力角相等。

此外，還要使倒擋齒輪螺旋角和模數(shù)與一檔齒輪取值相同。由此可見，變速器倒擋齒輪的體積是通過倒擋傳動比來實現(xiàn)控制的。因此，在實際設(shè)計過程中，當汽車機械式變速器前進檔齒輪設(shè)計完成后，就可根據(jù)倒擋傳動比計算出實現(xiàn)倒擋齒輪傳動的其他作用參數(shù)。具體就是先要確立設(shè)計變量、建立約束條件，來實現(xiàn)目標函數(shù)的準確設(shè)計。這樣一來，就可實現(xiàn)汽車機械式變速器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計目標，從而優(yōu)化了設(shè)計應用的可靠性。

3.2 變速器齒輪設(shè)計模型

變速器設(shè)計模型的應用僅僅從齒輪體積方面實現(xiàn)了輕量化設(shè)計，其對于可靠性內(nèi)容的涉及十分有限。因此，相關(guān)建設(shè)人員應通過監(jiān)測變速器齒輪的設(shè)計模型，來實現(xiàn)可靠性目標的分析。具體來說，由于變速器齒輪均設(shè)置有監(jiān)測裝置，這就使得相關(guān)工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)測齒輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此，變速器齒輪設(shè)計模型的建立，可假設(shè)變速器每個齒輪均可能發(fā)生一個故障為A，而沒有發(fā)生故障的即為B，這樣一來，就可以以向量的數(shù)學模式來表示未經(jīng)處理的齒輪運行狀態(tài)。在此情況下，通過確立設(shè)計變量、建立約束條件，就能計算出汽車機械化變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計函數(shù)。由此可以看出，汽車機械式變速器設(shè)計模型是通過可靠性設(shè)計目標和輕量化設(shè)計目標函數(shù)，建立一個變速器目標優(yōu)化設(shè)計函數(shù)方程組，從而實現(xiàn)多目標的變速器設(shè)計。在對多目標優(yōu)化函數(shù)進行求解時，設(shè)計人員可將目標優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)換為單個目標優(yōu)化函數(shù)[4]。這種目標模型設(shè)計方法能夠?qū)X輪監(jiān)測裝置的故障與可靠性進行有效控制，從而大大提高了機械式變速器系統(tǒng)的整體可靠性分析和計算的可靠性分析。在此設(shè)計模型的作用效果下，變速器系統(tǒng)應用的可靠性就能得到有效保證。

3.3 可靠性優(yōu)化設(shè)計函數(shù)

多目標優(yōu)化函數(shù)的設(shè)計需要借助數(shù)學軟件來進行實現(xiàn)，具體可采用Matlab6.5工具箱中fmincon函數(shù)來處理約束條件的非線性優(yōu)化問題。首先，設(shè)計人員要將約束條件和目標函數(shù)集中于一個文件，這樣一來，就能得出具體的約束條件。其次，編寫其它變速器齒輪系統(tǒng)的限制條件，從而實現(xiàn)多目標多元非線性函數(shù)的聯(lián)合建立。最后，還要將多目標優(yōu)化設(shè)計函數(shù)與僅基于輕量化的設(shè)計模型進行對比，以實現(xiàn)汽車機械式變速器的可行性驗證。相關(guān)數(shù)據(jù)證明，在實踐可靠性和輕量化的復合優(yōu)化設(shè)計后，變速器的齒輪系統(tǒng)體積明顯得到減小，從而使可靠性得到了大幅度的提升。在此情況下，汽車機械式變速器的設(shè)計可靠性與存在的故障就能得到準確控制與判斷，這就在很大程度上提高了機械式變速器系統(tǒng)的整體可靠性與計算的可信性[5-6]。

4 結(jié)束語

綜上所述，汽車機械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計必須在明確設(shè)計應用現(xiàn)狀以及設(shè)計特點的基礎(chǔ)上，來實現(xiàn)設(shè)計方法及研究效率。具體可供選擇的可靠性優(yōu)化設(shè)計包括：建立變速器設(shè)計模型、變速器齒輪設(shè)計模型以及可靠性優(yōu)化設(shè)計函數(shù)。事實證明，這些優(yōu)化設(shè)計方法的應用均能大幅度提升汽車機械式變速器齒輪系統(tǒng)的傳動效率并且也滿足了目前市場上汽車設(shè)計的輕量化要求，從而滿足當前市場環(huán)境對變速器應用的可靠性優(yōu)化設(shè)計需求。

[1]陳旻.汽車機械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].武漢工業(yè)學院學報，2012（03）：22-25.

[2]鄭學峰.關(guān)于汽車機械式變速器的現(xiàn)代設(shè)計方法探究[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014（06）：81.

[3]朱艷軍.對汽車機械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計的研究[J].民營科技，2014（07）：43.

[4]魏靜.汽車機械式變速器現(xiàn)代設(shè)計與探究[J].自動化與儀器儀表，2015（10）：76-78.

[5]褚超美，周進，繆國，奚成捷.汽車變速器殼體多工況自適應性拓撲優(yōu)化方法研究[J].上海理工大學學報，2016（02）：172-176.

[6]尤建祥.汽車機械式變速器變速傳動機構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2016（02）：57-58.

Automotive Mechanical Transmission Reliability Optimization Design

YOU Nian-hua
（Career Technical College，Nanping Fujian 353000，China）

Application for design flaws of the current automotive mechanical transmission，the paper discusses the design of the application of the transmission，and put forward specific design features and design implementation. Its purpose is to provide a theoretical basis for the relevant designer.

automobile mechanical transmission；lightweight；reliability optimization design

U463.212

A

1672-545X（2016）11-0086-02

2016-08-16

游年華（1985-），男，福建建陽人，助教，本科，研究方向：機械設(shè)計。