汽車機械式變速器優化設計實現路徑初探

王晨

摘要：在交通業迅猛發展的大背景下，汽車的銷售量也隨之上升，相比于銷量，汽車的可靠性與安全性顯得更加重要。而在汽車的設計中，最重要的就是變速器。變速器的主要作用就是將發動機的動力傳送給汽車，從而帶動汽車相關設備，使汽車正常行駛。其中，車速的調整就是通過變速器來實現的，而變速器設計的可靠程度又會直接影響到汽車行駛狀況的安全與否。本文通過研究汽車機械式變速器的可靠程度，對汽車機械式變速器優化設計實現路徑進行了探究。

關鍵詞：汽車;變速器;優化路徑

中圖分類號：U463.212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0007-02

0? 引言

汽車作為當前最為重要的出行交通工具之一，在人們的日常生活中發揮著不可或缺的作用。而汽車變速器中，機械式變速器又是應用最早的變速器，同時，也是當前應用成熟度最高的變速器之一。盡管自動變速器以及無級變速器的出現在一定程度上降低了機械式變速器的市場占有率，但同時，AMT的出現又為機械式變速器注入了新的活力，為其進一步發展奠定了基礎。變速器系統對汽車整輛車的運行尤為重要，尤其關乎汽車整車的駕車操控性與安全性，因此，變速器的設計是很關鍵的，因為對于變速器來說，它不僅要同時實現換擋傳動的作用，最重要的是要確保汽車行駛過程的安全與可靠性。接下來，我們從優化設計的角度，對汽車機械式變速器進行了分析與研究，并重點對其可靠性進行優化設計，以達到在結構優化了的同時達到可靠性的目標，從而提升汽車變速器的整體運作性能。

1? 汽車變速器的發展歷程

變速器，顧名思義，就是用來協調發動機轉速和車輪行駛速度的裝置。由于發動機的輸出轉速很高，最大功率以及扭矩會在一定的轉速區產生，因此，我們為了發揮出發動機的最佳性能，我們就需要有這樣一套變速裝置來輔助我們控制速度，變速器的作用就體現在此方面上。

變速器的基本設計要求：①保證汽車有必要的動力性與經濟性。②設置空擋，用來切斷發動機的動力傳輸。③設置倒擋，使汽車能夠倒退行駛。④設置動力輸出裝置。⑤換擋迅速、省力、方便。⑥工作可靠。變速器不得有跳檔、亂檔及換擋沖擊等現象發生。⑦變速器應有高的工作效率。⑧變速器的工作噪聲低。除此之外，變速器還應當滿足輪廓尺寸和質量小、制造成本低、維修方便等要求。

自汽車變速器產生以來，內燃機作為其主要的動力裝置，發揮著不可或缺的作用，而對于內燃機來說，活塞式的內燃機又成為汽車應用裝置的主要類型。活塞式內燃機較其他內燃機來說，質量輕于一般的內燃機，同時體積也比較小，就使操作過程變得簡單了很多，但是也彌補不了它轉速范圍小的缺陷。在這時，變速器就可以發揮它的作用了，將變速器與主減速器同時放入傳動系統，從而實現增矩、減速，平衡經濟與動力性。變速器的作用主要有兩方面，第一個方面，也是其最突出的作用，體現在它以傳動比轉變為出發點，提高車輪轉動的變動范圍，來確保汽車能夠及時應對各種危險與復雜情景。第二個重要的作用就體現在它對動力的傳遞實施了中斷處理，幫助發動機完成啟動過程與怠速。變速器根據不同的分類標準，可以分為許多種，按著操作方法，變速器可以劃分為自動和半自動類型;按傳動比的不同，變速器可以分為無級式、有級式以及綜合式。

2? 當前存在的問題分析

現如今，我們大多采用現代化設計方法進行設計，包括汽車的整機設計、零部件系統的設計以及汽車機械式變速器的設計。這種方法的最大優勢就在于，精密的數字運算優化，能夠為汽車整機實現最佳設計性能，或者實現局部設計的優化，以降低尾氣排放，減少汽車燃料。因此，現代優化設計成了人們對汽車變速器研究的首選。但是，不能忽略的是，現代優化設計設計出來的產品，不僅功能得到了優化，它的性能也得了提升，尤其是對汽車變速器而言，它的平穩度、安全性、可靠度成為首要的三個性能指標。采用此方法設計的變速器是否有效實現了三種指標的優化，其結果誰也不知道，只有嚴密的測試才能夠說明一切，實際上，經過現代優化設計方法設計出來的變速器，性能可能并沒有與其想象的那樣好。對汽車機械式變速器的研究，必須要通過對其可靠性進行分析確認。

3? 汽車機械式變速器的可靠性研究

3.1 變速齒輪

變速器的體積會直接或間接地影響優化設計的效果。因此，我們要盡可能縮小變速器的體積，但是同時也要注意，不能影響到車輛的行駛平穩狀況，要保證汽車的動力需求的得到滿足。除此之外，我們還要對動力結構的精密程度進行研究，盡可能降低生產成本。加強研究程度，可以使機械式變速器的體積發生相應的變化，控制在合理的范圍之內。一般情況下，機械式變速器的變速齒輪都是空心設計的，它的結構框直徑與變速器的軸頸都比較溫和。從實際情況中，我們可以得知，將空心結構當作是新結構進行研究，可以幫助我們在很大程度上簡化研究流程，并且幫助我們獲取有效準確的研究結論。從研究的整體情況來看，大部分的參數與系統的平穩運行有著千絲萬縷的聯系，并且對齒輪轉動的重合作用表現得也更加明顯。

3.2 變速器軸

作為操控應力傳輸的主要部件之一，變速器軸的結構也是相當復雜的，因此，這就要求我們務必確保變速器的結構強度夠強，同時足夠穩定。連接花鍵是為了齒輪運行更加良好。要想其荷載承載表現出良好的狀況，就需要擁有異向性和最終性。若花鍵齒根比較淺，那么，在變速轉動時，就能夠為變速器提供安全與穩定的保障。其主要要點之一就是保障軸承的可靠程度。

4? 汽車機械式變速器優化設計具體操作

4.1 齒輪參數

一般情況下，為了促使汽車的性能得到有效提升，我們會采用現代的方法設計優化汽車相關系統，如零件系統以及機械師變速器。在此基礎上，借助數字化的核算，針對汽車不同的結構與性能狀況進行處理計算，達到提高汽車舒適度與實用度的目的。機械式變速器與其他的變速器不太相同之處就在于，它采取現代方法之后，為了保證汽車的性能，實現輕量化目的，就需要在優化后的機械式變速器中，確保變速器的穩定性。

齒輪參數選取的一般原則有以下幾種：①為了減少噪聲應合理減小模數，同時增加齒寬。②為使質量小些，應該增加模數，同時減少齒寬。③從工藝角度考慮，各檔齒輪應該選用一種模數。④從強度角度考慮，各檔齒輪應有不同的模數。⑤對于轎車，減少工作噪聲較為重要，因此模數應選的小些;對于貨車，較少質量比減少噪聲更重要，因此模數應選的大些。

4.2 變速器的設計模型

汽車可靠性與輕量化設計既相互對立，又相互依賴，在對汽車進行設計時，有必要權衡其輕量化與可靠性，設計機械式變速器更應權衡兩者。機械式變速器通過多個齒輪改變轉動實現換擋變速的目的，因此，要想達到汽車輕量化與可靠性目標，本質上就需要我們對齒輪實現輕量化與可靠性的目標。

變位系數的選擇原則：①對于高檔齒輪，應按保證最大接觸強度和抗膠合及耐磨損最有利的原則選擇變位系數。②對于抵擋齒輪，為提高小齒輪的齒根強度，應根據危險斷面齒厚相等的條件來選擇大、小齒輪的變位系數。③總變位系數越小，齒輪齒根抗彎強度越低。但易于吸收沖擊振動，噪聲要小一些。

要想實現變速器的輕量化，就要計算好變速器齒輪系統的體積大小，將變速器齒輪之和最小作為目標函數，則

由于齒輪系統中，倒擋齒輪的體積由倒擋轉動比所決定，因此，在完成前進檔位相關的設計之后，由倒擋轉動比就可以算出其他的一些參數，由此，齒輪系的體積可以表示為如下：

由各檔轉動比的關系，式（2）可以化為齒輪相關的一些基本參數的函數：

F（x）=V（3）

由此確定設計的變量，構建一系列約束條件，化簡目標函數，就可以達到我們汽車變速器的輕量化目標，實現可靠性設計。

5? 基于變速器齒輪可靠性的復合模型分析

事實上，在以上的模型分析里面，我們只是以體積角度出發衡量了變速器本身的輕量化設計，對可靠性的設計提及很少，因此，我們在傳統的利用體積的同時，也應該對其可靠性進行分析，建立一些基于可靠性與輕量化二者的復合模型。監測裝置作為變速器的一樣必需品，存在于內部的齒輪上，其作用是對變速器內部的齒輪進行實時的檢測。在這種監測下，只要有一個產生故障，那么整個變速器都會受到影響，發生整機的故障。我們可以讓令H1表示內部齒輪故障，H0表示齒輪正常，N個監測點收到K個沒有處理的反射齒輪狀態的數據向量Xi后，

我們再分別對每個監測點做出一個b的決策向量：

每個齒輪檢測裝置的偵測正確率大概為：

最終通過一系列的計算與比對，我們得到了變速器齒輪可靠性的函數，即：Q（x）=P

同樣的道理，確定好相關的設計變量，構建約束性條件，我們就可以得到可靠性的優化函數。

6? 結語

變速器是影響汽車性能的關鍵零部件，它的可靠與否會對汽車的質量產生直接影響，對變速器的研究至關重要，可靠性作為必需品必須被包括在內。本篇文章在論述關于機械式變速器的同時，也對可靠性的優化設計進行了探究，并列舉出了一些計算步驟，為未來變速器的研究提供了良好的基礎。但是不可否認，更多具有實際性意義的優化設計，還有待廣大的科技技術工作者來發掘，只有大家共同奮斗，才有可能實現我國汽車機械式變速器領域的大的突破與成就。

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