王晨

摘要：在交通業(yè)迅猛發(fā)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(shè)計中，最重要的就是變速器。變速器的主要作用就是將發(fā)動機(jī)的動力傳送給汽車，從而帶動汽車相關(guān)設(shè)備，使汽車正常行駛。其中，車速的調(diào)整就是通過變速器來實現(xiàn)的，而變速器設(shè)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(jī)械式變速器的可靠程度，對汽車機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)路徑進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：汽車;變速器;優(yōu)化路徑

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

0? 引言

汽車作為當(dāng)前最為重要的出行交通工具之一，在人們的日常生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。而汽車變速器中，機(jī)械式變速器又是應(yīng)用最早的變速器，同時，也是當(dāng)前應(yīng)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(xiàn)在一定程度上降低了機(jī)械式變速器的市場占有率，但同時，AMT的出現(xiàn)又為機(jī)械式變速器注入了新的活力，為其進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。變速器系統(tǒng)對汽車整輛車的運(yùn)行尤為重要，尤其關(guān)乎汽車整車的駕車操控性與安全性，因此，變速器的設(shè)計是很關(guān)鍵的，因為對于變速器來說，它不僅要同時實現(xiàn)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(yōu)化設(shè)計的角度，對汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行了分析與研究，并重點對其可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到在結(jié)構(gòu)優(yōu)化了的同時達(dá)到可靠性的目標(biāo)，從而提升汽車變速器的整體運(yùn)作性能。

1? 汽車變速器的發(fā)展歷程

變速器，顧名思義，就是用來協(xié)調(diào)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪行駛速度的裝置。由于發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高，最大功率以及扭矩會在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)產(chǎn)生，因此，我們?yōu)榱税l(fā)揮出發(fā)動機(jī)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(xiàn)在此方面上。

變速器的基本設(shè)計要求：①保證汽車有必要的動力性與經(jīng)濟(jì)性。②設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動機(jī)的動力傳輸。③設(shè)置倒擋，使汽車能夠倒退行駛。④設(shè)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(xiàn)象發(fā)生。⑦變速器應(yīng)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(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小、制造成本低、維修方便等要求。

自汽車變速器產(chǎn)生以來，內(nèi)燃機(jī)作為其主要的動力裝置，發(fā)揮著不可或缺的作用，而對于內(nèi)燃機(jī)來說，活塞式的內(nèi)燃機(jī)又成為汽車應(yīng)用裝置的主要類型?；钊絻?nèi)燃機(jī)較其他內(nèi)燃機(jī)來說，質(zhì)量輕于一般的內(nèi)燃機(jī)，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(bǔ)不了它轉(zhuǎn)速范圍小的缺陷。在這時，變速器就可以發(fā)揮它的作用了，將變速器與主減速器同時放入傳動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)增矩、減速，平衡經(jīng)濟(jì)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(xiàn)在它以傳動比轉(zhuǎn)變?yōu)槌霭l(fā)點，提高車輪轉(zhuǎn)動的變動范圍，來確保汽車能夠及時應(yīng)對各種危險與復(fù)雜情景。第二個重要的作用就體現(xiàn)在它對動力的傳遞實施了中斷處理，幫助發(fā)動機(jī)完成啟動過程與怠速。變速器根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)前存在的問題分析

現(xiàn)如今，我們大多采用現(xiàn)代化設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，包括汽車的整機(jī)設(shè)計、零部件系統(tǒng)的設(shè)計以及汽車機(jī)械式變速器的設(shè)計。這種方法的最大優(yōu)勢就在于，精密的數(shù)字運(yùn)算優(yōu)化，能夠為汽車整機(jī)實現(xiàn)最佳設(shè)計性能，或者實現(xiàn)局部設(shè)計的優(yōu)化，以降低尾氣排放，減少汽車燃料。因此，現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)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(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計設(shè)計出來的產(chǎn)品，不僅功能得到了優(yōu)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(wěn)度、安全性、可靠度成為首要的三個性能指標(biāo)。采用此方法設(shè)計的變速器是否有效實現(xiàn)了三種指標(biāo)的優(yōu)化，其結(jié)果誰也不知道，只有嚴(yán)密的測試才能夠說明一切，實際上，經(jīng)過現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)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(jī)械式變速器的研究，必須要通過對其可靠性進(jìn)行分析確認(rèn)。

3? 汽車機(jī)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(yōu)化設(shè)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(wěn)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(jié)構(gòu)的精密程度進(jìn)行研究，盡可能降低生產(chǎn)成本。加強(qiáng)研究程度，可以使機(jī)械式變速器的體積發(fā)生相應(yīng)的變化，控制在合理的范圍之內(nèi)。一般情況下，機(jī)械式變速器的變速齒輪都是空心設(shè)計的，它的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)當(dāng)作是新結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，可以幫助我們在很大程度上簡化研究流程，并且?guī)椭覀儷@取有效準(zhǔn)確的研究結(jié)論。從研究的整體情況來看，大部分的參數(shù)與系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行有著千絲萬縷的聯(lián)系，并且對齒輪轉(zhuǎn)動的重合作用表現(xiàn)得也更加明顯。

3.2 變速器軸

作為操控應(yīng)力傳輸?shù)闹饕考唬兯倨鬏S的結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)復(fù)雜的，因此，這就要求我們務(wù)必確保變速器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度夠強(qiáng)，同時足夠穩(wěn)定。連接花鍵是為了齒輪運(yùn)行更加良好。要想其荷載承載表現(xiàn)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(zhuǎn)動時，就能夠為變速器提供安全與穩(wěn)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(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計具體操作

4.1 齒輪參數(shù)

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(xiàn)代的方法設(shè)計優(yōu)化汽車相關(guān)系統(tǒng)，如零件系統(tǒng)以及機(jī)械師變速器。在此基礎(chǔ)上，借助數(shù)字化的核算，針對汽車不同的結(jié)構(gòu)與性能狀況進(jìn)行處理計算，達(dá)到提高汽車舒適度與實用度的目的。機(jī)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(xiàn)代方法之后，為了保證汽車的性能，實現(xiàn)輕量化目的，就需要在優(yōu)化后的機(jī)械式變速器中，確保變速器的穩(wěn)定性。

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

4.2 變速器的設(shè)計模型

汽車可靠性與輕量化設(shè)計既相互對立，又相互依賴，在對汽車進(jìn)行設(shè)計時，有必要權(quán)衡其輕量化與可靠性，設(shè)計機(jī)械式變速器更應(yīng)權(quán)衡兩者。機(jī)械式變速器通過多個齒輪改變轉(zhuǎn)動實現(xiàn)換擋變速的目的，因此，要想達(dá)到汽車輕量化與可靠性目標(biāo)，本質(zhì)上就需要我們對齒輪實現(xiàn)輕量化與可靠性的目標(biāo)。

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

要想實現(xiàn)變速器的輕量化，就要計算好變速器齒輪系統(tǒng)的體積大小，將變速器齒輪之和最小作為目標(biāo)函數(shù)，則

由于齒輪系統(tǒng)中，倒擋齒輪的體積由倒擋轉(zhuǎn)動比所決定，因此，在完成前進(jìn)檔位相關(guān)的設(shè)計之后，由倒擋轉(zhuǎn)動比就可以算出其他的一些參數(shù)，由此，齒輪系的體積可以表示為如下：

由各檔轉(zhuǎn)動比的關(guān)系，式（2）可以化為齒輪相關(guān)的一些基本參數(shù)的函數(shù)：

F（x）=V（3）

由此確定設(shè)計的變量，構(gòu)建一系列約束條件，化簡目標(biāo)函數(shù)，就可以達(dá)到我們汽車變速器的輕量化目標(biāo)，實現(xiàn)可靠性設(shè)計。

5? 基于變速器齒輪可靠性的復(fù)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(fā)衡量了變速器本身的輕量化設(shè)計，對可靠性的設(shè)計提及很少，因此，我們在傳統(tǒng)的利用體積的同時，也應(yīng)該對其可靠性進(jìn)行分析，建立一些基于可靠性與輕量化二者的復(fù)合模型。監(jiān)測裝置作為變速器的一樣必需品，存在于內(nèi)部的齒輪上，其作用是對變速器內(nèi)部的齒輪進(jìn)行實時的檢測。在這種監(jiān)測下，只要有一個產(chǎn)生故障，那么整個變速器都會受到影響，發(fā)生整機(jī)的故障。我們可以讓令H1表示內(nèi)部齒輪故障，H0表示齒輪正常，N個監(jiān)測點收到K個沒有處理的反射齒輪狀態(tài)的數(shù)據(jù)向量Xi后，

我們再分別對每個監(jiān)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(shù)，即：Q（x）=P

同樣的道理，確定好相關(guān)的設(shè)計變量，構(gòu)建約束性條件，我們就可以得到可靠性的優(yōu)化函數(shù)。

6? 結(jié)語

變速器是影響汽車性能的關(guān)鍵零部件，它的可靠與否會對汽車的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，對變速器的研究至關(guān)重要，可靠性作為必需品必須被包括在內(nèi)。本篇文章在論述關(guān)于機(jī)械式變速器的同時，也對可靠性的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)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(chǔ)。但是不可否認(rèn)，更多具有實際性意義的優(yōu)化設(shè)計，還有待廣大的科技技術(shù)工作者來發(fā)掘，只有大家共同奮斗，才有可能實現(xiàn)我國汽車機(jī)械式變速器領(lǐng)域的大的突破與成就。

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