解 云

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽合肥 230012)

人們生活水平的提高以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動了中國汽車行業(yè)的發(fā)展。目前在人們的日常生活當(dāng)中，汽車已經(jīng)成為了不可缺少的主要出行工具，人們對汽車的性能和使用安全等的要求也逐漸提高。而在汽車結(jié)構(gòu)當(dāng)中，變速器有著非常重要的作用，其對汽車的性能、行駛速度等有著直接的影響。因此，為了能夠保證汽車的性能，提高汽車的壽命和安全性，就必須要保證變速器的高質(zhì)量和高性能。

1機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的特點(diǎn)研究

首先要保證設(shè)計(jì)的機(jī)械式變速器的動力能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，滿足實(shí)際的需要。機(jī)械式變速器一般應(yīng)用于卡車和商業(yè)車當(dāng)中，所以應(yīng)對該類車的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行考慮，保證機(jī)械式變速器能夠與發(fā)動機(jī)相配合，為車提供足夠的牽引力，讓其承擔(dān)重力和高壓的能力得到增強(qiáng)。其次應(yīng)提高機(jī)械式變速器的協(xié)調(diào)性，目前駕校內(nèi)使用的教練車一般都是機(jī)械式變速器形式，其擁有較高的安全性，才能保證學(xué)車者在練車的過程中能夠?qū)囕v進(jìn)行有效的控制。最后機(jī)械式變速器汽車擁有較高的安全性、穩(wěn)定性和性價(jià)比，并且價(jià)格較低，比較實(shí)惠。

2汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)一般采用現(xiàn)代化先進(jìn)、科學(xué)的方法，以此提高汽車的性能，并有效針對汽車的零部件結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，與更加緊密的數(shù)字化計(jì)算相結(jié)合，進(jìn)一步提高汽車的安全性、穩(wěn)定性以及舒適性。

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)齒輪參數(shù)

2.1.1確定齒輪參數(shù) 首先應(yīng)該確定中心距和初選模數(shù)，因?yàn)闄C(jī)械式變速器的自重會因?yàn)橹行木嘣龃蠖粩嘣黾?，所以齒輪的強(qiáng)度會受到較大的模數(shù)影響，因此一般采用公式初選確定相應(yīng)的模數(shù)參數(shù)。其次應(yīng)該確定壓力角和齒輪的寬度，因?yàn)閴毫窃龃?，會提高齒輪接觸和抗彎的強(qiáng)度，根據(jù)公式對其進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)齒角過大時(shí)，會在一定程度上增加負(fù)載，從而將齒輪的承載力降低。最后應(yīng)該確定齒數(shù)，計(jì)算變位系數(shù)，通過利用螺旋角的斜齒輪可以加大齒輪的重合力度，不僅能夠降低產(chǎn)生的噪音，還能提高強(qiáng)度，然后再計(jì)算軸承上產(chǎn)生的軸向力，最終確定齒數(shù)，并分析齒輪實(shí)現(xiàn)的原因，采取有效的措施將其承載力進(jìn)一步提高。

2.1.2計(jì)算齒輪尺寸及使用強(qiáng)度 因?yàn)辇X輪參數(shù)量相對較多，所以必須完全依照實(shí)際的情況計(jì)算齒輪參數(shù)(比如變位系數(shù)、分度圓直徑、公法線長度等)，保證計(jì)算的準(zhǔn)確率。

要想判斷機(jī)械式變速器的齒輪有效性，一般可以采用計(jì)算齒輪強(qiáng)度的方法進(jìn)行。當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障和損壞的情況時(shí)，齒輪往往會出現(xiàn)折斷、膠合等現(xiàn)象，需要提高齒面的抗點(diǎn)蝕能力，才能保證齒輪能夠正常運(yùn)行。應(yīng)用相應(yīng)的公式(兩個(gè)彈性圓柱體接觸面公式)可以知道，動力在傳遞的過程中，齒輪需要保持在懸臂的狀態(tài)，以便在提高齒輪可靠性的同時(shí)，最終實(shí)現(xiàn)輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，進(jìn)一步提升汽車機(jī)械式變速器的可靠性。

2.2分析機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的模型

由于現(xiàn)在輕量化設(shè)計(jì)是目前的主要設(shè)計(jì)方向，所以在實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會采用輕量化設(shè)計(jì)，但是在一定程度上降低了汽車的可靠性，降低汽車出現(xiàn)故障的概率。為了將機(jī)械式變速器輕量化和可靠性設(shè)計(jì)之間存在的矛盾有效解決，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮并權(quán)衡兩者之間存在的關(guān)系，在換擋的過程中應(yīng)該對應(yīng)改變變速器的轉(zhuǎn)動比。在輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)中，縮小變速器齒輪系統(tǒng)的體積是最重要的內(nèi)容，所以可以將齒輪系統(tǒng)中的齒輪體積之和作為目標(biāo)函數(shù)，將齒輪的寬度由bi表示，齒輪分度圓直徑由di表示，可以得到：

(1)

因?yàn)辇X輪的傳動采用的齒輪類型為漸開圓柱型齒輪，當(dāng)齒輪的分度圓模數(shù)與壓力角的狀態(tài)為咬合時(shí)，倒擋與一檔的齒輪之間會取相同的模數(shù)值以及螺旋角，倒擋傳動比會直接影響倒擋齒輪的體積，所以在對前進(jìn)擋位齒輪設(shè)計(jì)完成之后，可以依據(jù)倒擋轉(zhuǎn)動比計(jì)算獲得倒擋的其他參數(shù)情況。通過明確設(shè)計(jì)變量，從而完成構(gòu)建約束條件，求解目標(biāo)函數(shù)，從而縮小汽車機(jī)械式變速器系統(tǒng)的體積，讓汽車的輕量化設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)都能同時(shí)滿足。

2.3明確約束條件

2.3.1最大傳動比的約束研究 約束汽車傳動系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)動比的因素相對較多，比如最大爬坡度以及車輛的附著力等，汽車在路面上行駛不能出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。設(shè)定主減速器的傳動比為i0，一檔傳動比用i1表示，二者的乘積將為最大的傳動比，將驅(qū)動輪和路面的附著條件作為約束條件，可以得到：

(2)

式(2)中，rr表示車輪的滾動半徑；Φ表示驅(qū)動輪和路面附著條件；Fn表示驅(qū)動輪上法向反作用力；表示傳動系機(jī)械效率，一般其取值為0.835；Temax則表示汽車發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。

2.3.2中心距的約束 中心距決定了車輛機(jī)械式變速器的最終體積大小，所以需要對其進(jìn)行有效的約束(如圖2)，從而讓汽車達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，保證設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容、強(qiáng)度等滿足實(shí)際的需求。之后，需要盡量進(jìn)行中心距值降低，此時(shí)變速器的傳動比最大，同時(shí)還要保證發(fā)動機(jī)處于最大的轉(zhuǎn)矩中，其公式為：

(3)

式(3)中A表示中心距。

圖2 平衡中間軸軸向力示意圖

因?yàn)辇X輪傳動的軸向系數(shù)大于等于1，所以為了讓齒輪傳動的平穩(wěn)定得到保證，得到了以下的約束條件公式：

G17=πmni-bsinβi≤0

(4)

式(4)中，mni表示模數(shù)約束；βi表示螺旋角約束的中間軸式變速器；b1表示齒輪寬度。通常情況下，轎車的mni取值范圍為2.25～3；βi的取值范圍為22°～34°；b1的取值范圍為3mni～8.6mni。一般齒輪的寬度應(yīng)該大于其他的齒輪副齒輪寬度，才能讓傳動的平穩(wěn)性得到保證，并在一定程度上將齒輪的使用壽命進(jìn)一步提高。同時(shí)也延長汽車的使用壽命，提高汽車的安全性和穩(wěn)定性。

3多目標(biāo)優(yōu)化方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果研究

3.1機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化方法研究

在現(xiàn)代社會中，多目標(biāo)優(yōu)化求解的方法較多，文章采用的綜合目標(biāo)方法對車輛機(jī)械式變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該類方法主要是通過一定的方法將原有的多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)，并采用單目標(biāo)的函數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行求解。首先針對面臨的每個(gè)目標(biāo)問題，預(yù)先給定期望值，當(dāng)其能夠滿足相應(yīng)的約束條件時(shí)，求解得出與期望值類似的值，最終形成評價(jià)函數(shù)，各個(gè)單元中的最優(yōu)化值倒數(shù)為權(quán)系數(shù)。用W1和W2分別表示目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)可以得到：

minF(X)=W1F1(X)+W2F2(X)

(5)

3.2機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

為了能夠進(jìn)一步將優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)度提高，文章在對機(jī)械式變速器進(jìn)行編程和優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，主要采用了多重循環(huán)的方法以及更加科學(xué)的VB變成語言，有效解決了目前存在的離散變量以及局部解等情況。在實(shí)際優(yōu)化的過程中需要先優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，從而獲得目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)，采用統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)針對各個(gè)擋位的傳動齒輪進(jìn)行優(yōu)化，最終得到優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，如表1所示。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對比結(jié)果

由表1可知，優(yōu)化后的齒輪數(shù)(z)、齒輪法向模數(shù)mni等的數(shù)值都降低了，說明車輛機(jī)械式變速器的多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)合理。將其與優(yōu)化之前的齒數(shù)、齒輪寬度等進(jìn)行對比，可以看出，齒輪的寬度等都明顯減小，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的機(jī)械式變速器齒輪的體積也進(jìn)一步減小，從而提高了車輛機(jī)械式變速器的可靠性，并且能夠讓車輛機(jī)械式變速器的輕量化設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)得到了平衡，有效解決了齒輪中心距變化不一致的情況，讓汽車使用的安全性、可靠性和穩(wěn)定性得到了保證，延長了汽車使用的壽命，推動了汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

3.3機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

通過對比進(jìn)行多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)可以知道，車輛機(jī)械式變速器經(jīng)過多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，其體積主要降低了9.2%，且機(jī)械式變速器與車輛系統(tǒng)的重合度提高了6.3%，提高了變速器齒輪系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。基于此，能夠準(zhǔn)確控制與判斷車輛機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的可靠性與存在的故障問題，由此可以說明機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化具有較大的價(jià)值。

4結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量和生活水平得到提高，人們對汽車的使用安全性、穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越高。而車輛機(jī)械式變速器是影響汽車穩(wěn)定性的重要因素，要想車輛機(jī)械式變速器的可靠性得到優(yōu)化設(shè)計(jì)，就必須明確進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)路經(jīng)，嚴(yán)格控制好優(yōu)化的程序，構(gòu)建車輛機(jī)械式變速器基礎(chǔ)優(yōu)化的模型，并確定中心距、齒輪寬度、齒輪數(shù)量等約束條件，將車輛機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)一步提高，以保證機(jī)械式變速器的穩(wěn)定性能，讓其能夠滿足安全行駛的需求。