楊俊杰

摘要：在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展中，人們物質(zhì)生活條件越來越好，在此過程中汽車數(shù)量也隨之增多，同時(shí)獲得迅猛發(fā)展的還有各項(xiàng)汽車技術(shù)，作為汽車內(nèi)部不可或缺重要構(gòu)件之一的變速器，其在汽車技術(shù)發(fā)展階段中也形成了機(jī)械式變速器這一產(chǎn)物，這也標(biāo)志著汽車技術(shù)性的改革。要充分發(fā)揮機(jī)械式變速器提升汽車加速穩(wěn)定性的優(yōu)勢，就需要進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械式變速器可靠性設(shè)計(jì)。本文筆者就汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)問題展開論述，旨在最大化提升機(jī)械式變速器可靠性，確保汽車整體性能。

關(guān)鍵詞：汽車;機(jī)械式變速器;優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)行中的汽車基于發(fā)動(dòng)機(jī)的核心作用帶動(dòng)其內(nèi)部各系統(tǒng)，多系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，保證汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性。變速器在控制汽車行駛速度環(huán)節(jié)中有著至關(guān)重要的作用，通過變速器的協(xié)調(diào)作用來改變汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置，從而調(diào)整汽車速度。所以，一定要注重汽車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)內(nèi)容中的可靠性設(shè)計(jì)，最大化的滿足汽車行駛過程中的變速需求，實(shí)現(xiàn)汽車整體性能優(yōu)化。

1 汽車機(jī)械式變速器及優(yōu)化設(shè)計(jì)問題

1.1 機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)原理

行駛過程中的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于大動(dòng)率運(yùn)行狀態(tài)，這也意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率非常高，發(fā)動(dòng)機(jī)變速器的功用主要有：①改變汽車行駛速度和牽引力;②讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況下工作;③改變驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)方向;④實(shí)現(xiàn)空擋以及驅(qū)動(dòng)其他機(jī)構(gòu)。整體而言，變速器有手動(dòng)變速器（MT）、自動(dòng)變速器（AT）、手動(dòng)/自動(dòng)變速器（A/MT）和無級(jí)變速器（CVT）這四種分類，自動(dòng)變速器中最常用的液力自動(dòng)變速器，可根據(jù)油門開度與車速變化自動(dòng)換擋[1]。無級(jí)變速器是自動(dòng)變速器的一種，具有油門反應(yīng)快、油耗低的特點(diǎn)。

機(jī)械式變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個(gè)定值（也就是所謂的“級(jí)”）。比如， 一檔變速比是3.85，二檔是2.55再到五檔的0.75 ，這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動(dòng)比，總共只有5個(gè)值（即有5級(jí)），所以說它是有級(jí)變速器。

1.2 機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)問題

車體外形動(dòng)力設(shè)計(jì)與汽車表示外形設(shè)計(jì)可以作為汽車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的參考信息，汽車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)是以汽車單元系統(tǒng)為核心展開的，起點(diǎn)為汽車動(dòng)力系統(tǒng)，要確保汽車動(dòng)力系統(tǒng)能夠合理的提供汽車運(yùn)行所需動(dòng)力輸出。汽車行業(yè)在全新的發(fā)展形勢下有以下四個(gè)方向，即車體輕量化、車體科技化、汽車低耗能和汽車低排放，在汽車制造中應(yīng)用機(jī)械式變速器的優(yōu)勢體現(xiàn)于其能確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的平穩(wěn)性、確保汽車變速的安全性以及確保汽車變速的平滑性[2]。機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)工作具有一定復(fù)雜性，期間牽涉的內(nèi)容非常多，設(shè)計(jì)人員一定要從整體角度考慮布局合理性。不過由于相關(guān)技術(shù)的限制，此前汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化并不能完全按照既定的技術(shù)進(jìn)行，最終效果始終達(dá)不到設(shè)計(jì)理論的要求。

2 汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 變速器整體優(yōu)化設(shè)計(jì)

可靠性與輕量化是汽車零部件設(shè)計(jì)中最為矛盾的兩個(gè)關(guān)系，如若能平衡這兩個(gè)設(shè)計(jì)要求，也算是實(shí)現(xiàn)變速器整體優(yōu)化的一個(gè)目標(biāo)了。針對(duì)汽車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)中平衡可靠性與輕量化的問題，關(guān)鍵在于傳動(dòng)變化和齒輪換擋，尤其是變速器整個(gè)齒輪系統(tǒng)的體積對(duì)上述兩點(diǎn)有著明顯的影響。因此，變速器設(shè)計(jì)中輕量化設(shè)計(jì)板塊的目標(biāo)函數(shù)最好選擇變速器齒輪體積的最小值，處于傳動(dòng)狀態(tài)中的變速器齒輪系統(tǒng)主要為漸開線圓柱齒輪設(shè)計(jì)。那么在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，要保證互相嚙合的齒輪擁有一樣的分度圓模數(shù)和分度圓壓力角，同時(shí)保證倒擋齒輪與一檔齒輪擁有一樣的螺旋角和模數(shù)[3]。從某種角度來說，倒擋傳動(dòng)比控制著變速器倒擋齒體積，所以在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)束前進(jìn)擋齒輪設(shè)計(jì)后就要圍繞倒擋傳動(dòng)比計(jì)算其他作用參數(shù)。歸納一下就是，先確定設(shè)計(jì)變量，然后在建立約束條件的基礎(chǔ)上完成目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)。

2.2 變速器齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 把控變速器齒輪模數(shù)與壓力角

在優(yōu)化變速器齒輪設(shè)計(jì)的進(jìn)程中，與齒輪關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)、影響最大的就是壓力角和齒輪模數(shù)。齒輪模數(shù)數(shù)量越多，則齒輪厚度值就越大，所以要想確保齒輪的可靠性、實(shí)用性，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就要對(duì)模數(shù)做到嚴(yán)格控制，讓每個(gè)變速器齒輪相互間都對(duì)應(yīng)著與之匹配的模數(shù)。對(duì)壓力角數(shù)值有關(guān)聯(lián)的除了點(diǎn)離基圓的距離以外，還有漸開線，所以關(guān)于壓力角的選擇一定要全面的分析漸開線運(yùn)動(dòng)方向和有關(guān)的受力分析，每一個(gè)相關(guān)因素都要考慮在內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的壓力角選擇。

2.2.2 確定好齒輪寬度與螺旋角度

就理論層面而言，分度圓直徑數(shù)值和齒輪寬度系數(shù)相乘之?dāng)?shù)即為機(jī)械式變速器的齒輪寬度。但是，在具體設(shè)計(jì)過程中為了全面考慮齒輪的穩(wěn)定性與可靠性，有必要有選擇性的調(diào)整汽車變速器本身的體積、質(zhì)量，通常調(diào)整內(nèi)容是適當(dāng)降低相關(guān)數(shù)值。此外，還需要綜合考慮承載能力，最好能得到精確計(jì)算后的結(jié)果，而關(guān)于螺旋角度的確定，既要在國際通用范圍內(nèi)，還要合理的控制傾斜程度，兩個(gè)條件均滿足后才能最大化發(fā)揮斜齒優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 保證齒輪修正工作質(zhì)量

齒輪設(shè)計(jì)前，就要嚴(yán)格遵照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，完成設(shè)計(jì)后也需要圍繞國際通用標(biāo)準(zhǔn)再次檢查各項(xiàng)參數(shù)與強(qiáng)度。就正式設(shè)計(jì)前，最好提前結(jié)合有關(guān)的國際通用計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)，得出精確的齒輪縱向尺寸與軸向尺寸。因?yàn)辇X輪性能將在很大程度上影響到變速器質(zhì)量，所以為了讓機(jī)械式變速器可靠性得以提升，一定要高度重視齒輪設(shè)計(jì)的科學(xué)性，這里的關(guān)鍵就在于齒輪修正，修正工作是確保齒輪體現(xiàn)最佳性能的重要環(huán)節(jié)。

2.3 變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)設(shè)計(jì)，需要靈活使用相關(guān)數(shù)學(xué)軟件才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。比如，應(yīng)用Matlab6.5工具箱中的fmincom函數(shù)來處理非線性約束條件的優(yōu)化問題，有關(guān)設(shè)計(jì)人員最好在一個(gè)文件中集中約束條件、目標(biāo)函數(shù)等，有針對(duì)性的從中獲取約束條件即可，同時(shí)編寫其他變速器齒輪系統(tǒng)限制條件，構(gòu)建多目標(biāo)多元化的非線性函數(shù)[4]。另外，以輕量化為基礎(chǔ)的模型設(shè)計(jì)，通過對(duì)比多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)即可驗(yàn)證汽車機(jī)械式變速器的可行性。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析得知，基于可靠性、輕量化的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計(jì)能大大縮小變速器齒輪系統(tǒng)體積，并提升系統(tǒng)可靠性。

2.4 變速擋位優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.4.1合理把控變速器檔數(shù)

相關(guān)設(shè)計(jì)人員可在允許范圍內(nèi)適當(dāng)上調(diào)機(jī)械式變速器檔數(shù)，從最初設(shè)計(jì)上增加檔數(shù)來促使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率的有效價(jià)值，與此同時(shí)讓汽車獲得更為充足的運(yùn)行動(dòng)力，強(qiáng)化變速能力，從而實(shí)現(xiàn)汽車機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化目標(biāo)。不過變速器檔數(shù)不可無限制的上調(diào)，當(dāng)機(jī)械式變速器自身結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜時(shí)，就會(huì)增加駕駛難度，降低車主使用性和體驗(yàn)感。

2.4.2精確計(jì)算檔位傳動(dòng)比

不同的汽車型號(hào)必然對(duì)應(yīng)著不同的檔位傳動(dòng)比，比如小型貨車檔位傳動(dòng)比范圍通常在6-8之間，載重較大的大型貨車檔位傳動(dòng)比通常為8，載重偏小的小轎車檔位傳動(dòng)比范圍通常在2-5之間。因此，在計(jì)算擋位傳動(dòng)比的環(huán)節(jié)匯總，要立足于汽車的具體信號(hào)以及真實(shí)使用情況考慮，盡可能保證機(jī)械式變速器性能的可靠性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

總而言之，汽車機(jī)械式變速器是市面上絕大部分汽車使用的變速器類型，目前混動(dòng)技術(shù)中已經(jīng)出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)與機(jī)械式變速器一體化技術(shù)，所以關(guān)于機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)方式有待進(jìn)一步思考、細(xì)化和判斷，從多個(gè)不同的角度去優(yōu)化機(jī)械式變速器，達(dá)到提升機(jī)械式變速器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

參考文獻(xiàn)：

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