陳康

摘要：本文選擇以我國(guó)汽車(chē)的實(shí)踐應(yīng)用情況為根據(jù)，切實(shí)根據(jù)汽車(chē)有關(guān)動(dòng)力性標(biāo)準(zhǔn)，在保障零件剛度可靠性以及強(qiáng)度的前提之下，根據(jù)變速器齒輪系體積最小，以及傳動(dòng)齒輪重合度最大為基礎(chǔ)，構(gòu)建起變速器多目標(biāo)可優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)最終研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本次教學(xué)模型的應(yīng)用正確，同時(shí)選擇多目標(biāo)可靠性設(shè)計(jì)方式，能夠最大程度上降低汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)周期，同時(shí)充分降低其體積，并進(jìn)一步完善傳動(dòng)平穩(wěn)性能。

Abstract： This paper chooses the practical application of Chinese automobiles as the basis， practically according to the relevant automobile dynamic standards， on the premise of ensuring the rigidity， reliability and strength of parts， and based on the minimum volume of transmission gear train and the maximum coincidence degree of transmission gears， and constructs a multi-objective optimization design mathematical model of transmission. After the final research results， it can be found that the application of this teaching model is correct， and choosing the multi-objective reliability design method can minimize the design cycle of automobile transmission， at the same time fully reduce its volume， and further.

關(guān)鍵詞：汽車(chē)機(jī)械式;變速器;多目標(biāo)可靠性優(yōu)化

Key words： automobile mechanical type;transmission;multi-objective reliability optimization

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0014-03

0 ?引言

作為汽車(chē)構(gòu)成中的關(guān)鍵部件，變速器性能的好壞將在很大程度上影響到汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性。同時(shí)其也在很大程度上影響到汽車(chē)能夠保證平穩(wěn)運(yùn)行。但在實(shí)踐應(yīng)用中，機(jī)械式變速器也擁有許多缺點(diǎn)，例如操作缺乏便捷性、換擋沖擊力相對(duì)較大、汽車(chē)空間占用較大等一系列缺點(diǎn)。

1 ?汽車(chē)機(jī)械式變速器

對(duì)于汽車(chē)機(jī)械式變速器而言，其在汽車(chē)行駛過(guò)程中的主要作用，是使駕駛員能夠在駕駛過(guò)程中依托操作桿，使不同齒輪位置變發(fā)生變動(dòng)，并在這一過(guò)程中，充分實(shí)現(xiàn)差異化速度的傳遞。在汽車(chē)機(jī)械式變速器的誕生時(shí)期，其檔位選擇空間相對(duì)較少，對(duì)于駕駛員的操作要求也相對(duì)較高。自上世紀(jì)五十年起，擁有五個(gè)檔位的汽車(chē)變速器正式面世，這一變速器應(yīng)用模式一直持續(xù)至今。對(duì)于汽車(chē)機(jī)械師變速器本身而言，其內(nèi)部存在的齒輪組是無(wú)法被移動(dòng)的，其中每一齒輪的齒數(shù)都有著各自的對(duì)應(yīng)檔位，齒輪適量在不同檔位下的數(shù)量差值始終不變。另外，汽車(chē)變速器的另一個(gè)關(guān)鍵功能，是提供差異化操作效果的軸桿傳動(dòng)比，以此為基礎(chǔ)能夠創(chuàng)造與之相對(duì)應(yīng)的輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度，達(dá)到汽車(chē)自由切換駕駛速度的目的。此外，其對(duì)于汽車(chē)行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性也提出了要求，實(shí)際要求如下所述：

首先，機(jī)械式變速器必須在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不出現(xiàn)變化的前提下，充分完成車(chē)輛的動(dòng)態(tài)操作，包括前進(jìn)、后退等。當(dāng)變速器處于離開(kāi)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)保障汽車(chē)維持在空擋狀態(tài)，并自動(dòng)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳輸，保障汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)迅速、精確換擋。這樣的機(jī)械式變速優(yōu)點(diǎn)涉及到多個(gè)方面，特別是其由于制造工藝相對(duì)成熟，投入成本較低，因此機(jī)械式變速器也逐漸成為了大部分汽車(chē)的零用部件。

2 ?汽車(chē)機(jī)械式變速器存在問(wèn)題

首先，在常規(guī)情況下，汽車(chē)整車(chē)的構(gòu)成設(shè)計(jì)工作，應(yīng)當(dāng)依托車(chē)體外形、汽車(chē)品牌性外觀表示等多位主要參考根據(jù)，其次，汽車(chē)內(nèi)部各個(gè)零部件共同組成的單元系統(tǒng)是否具備合理性，則是汽車(chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中的設(shè)計(jì)確認(rèn)點(diǎn)。最后，汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)能否為汽車(chē)的形式提供優(yōu)秀的動(dòng)力輸出。這三個(gè)方面的因素是汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的因素。這也意味著汽車(chē)機(jī)械式變速器也同樣要遵循上述總體原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，國(guó)際汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，逐漸面向著節(jié)能減排、輕量化、科技化的方向發(fā)展，而機(jī)械式變速箱的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，就在于其擁有改變發(fā)動(dòng)機(jī)速率輸出的可靠性以及平滑性。變速器的未來(lái)發(fā)展需求同樣是保障汽車(chē)在實(shí)現(xiàn)變速的基礎(chǔ)之上，使其穩(wěn)定性得到提升。因此現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須根據(jù)各個(gè)機(jī)械式變速器的細(xì)節(jié)以及機(jī)械點(diǎn)等展開(kāi)綜合考慮，這一過(guò)程中得出的測(cè)量數(shù)值將會(huì)影響到最終整體運(yùn)作的效果。但立足于現(xiàn)狀來(lái)看，現(xiàn)有的機(jī)械式變速器依然存在測(cè)試過(guò)程受限于科技水平，無(wú)法達(dá)到設(shè)想中的理論要求。同時(shí)零部件、車(chē)體等方面的設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)對(duì)變速器設(shè)計(jì)造成制約。

3 ?機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在實(shí)踐設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重視機(jī)械式變速器的動(dòng)力要求，保障其能夠充分滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并確保其可以用于實(shí)踐當(dāng)中[1]。目前階段，我國(guó)的機(jī)械式變速器主要應(yīng)用于商業(yè)用車(chē)或是貨運(yùn)卡車(chē)當(dāng)中，因此研究人員也要注意考慮這一部分實(shí)踐情況，通過(guò)這樣的方式保障發(fā)動(dòng)機(jī)能夠與機(jī)械式變速器之間得到默契配合。通過(guò)這樣的方式進(jìn)一步幫助車(chē)輛獲得充分的牽引力，切實(shí)提升汽車(chē)的承重能力[2]。另外協(xié)調(diào)性也是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重點(diǎn)，現(xiàn)階段，我國(guó)許多駕校依然在沿用傳統(tǒng)的教練車(chē)，也就是應(yīng)用機(jī)械變速器的汽車(chē)進(jìn)行教學(xué)，因此必須保障其具有較強(qiáng)協(xié)調(diào)性。才能最大程度上保障學(xué)習(xí)者可以在練習(xí)的過(guò)程中，充分控制車(chē)輛。最后，汽車(chē)具備有較強(qiáng)的安全性和穩(wěn)定性，同樣價(jià)格相對(duì)較低[3]。

4 ?汽車(chē)機(jī)械式變速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)過(guò)程，遵循采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的基本理念，進(jìn)一步使汽車(chē)的基礎(chǔ)性能獲得提升，與此同時(shí)將數(shù)字化計(jì)算與傳統(tǒng)的汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)等展開(kāi)充分融合，在保障汽車(chē)安全性的同時(shí)，進(jìn)一步提升汽車(chē)的穩(wěn)定性及舒適性。

4.1 設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)優(yōu)化

4.1.1 齒輪參數(shù)確認(rèn)

在這一過(guò)程中首先針對(duì)初選模數(shù)以及中心距離進(jìn)行確認(rèn)[4]。由于機(jī)械式變速器自我重量，可能由于中心距離的不斷提升而提升，這就導(dǎo)致模數(shù)很有可能會(huì)影響到齒輪強(qiáng)度，也正是由于這一原因，在實(shí)踐過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選用公式初選的形式，來(lái)展開(kāi)最終模數(shù)參數(shù)的確定工作。其次，針對(duì)齒輪寬度、壓力角進(jìn)行選擇，因?yàn)槌Ｒ?guī)情況下，壓力角將始終處于變化的狀態(tài)，可能在很大程度上這個(gè)致使壓力角的寬度受到影響。在壓力角不斷提升的情況下，就會(huì)使后續(xù)齒抗彎的實(shí)際強(qiáng)度變大。切實(shí)按照供水展開(kāi)最終計(jì)算后能夠得知，如果齒角相對(duì)較大，則可能導(dǎo)致負(fù)載等增加，導(dǎo)致最終齒輪承載力降低。最后，通過(guò)齒輪齒數(shù)的確定，展開(kāi)針對(duì)變?yōu)橄禂?shù)的計(jì)算，同時(shí)充分應(yīng)用螺旋角的斜齒輪，能夠切實(shí)提升齒輪的重合力度，其不但能夠進(jìn)一步降低噪音的出現(xiàn)，同時(shí)也能切實(shí)提升其最終強(qiáng)度，并相應(yīng)的針對(duì)軸承的軸向力進(jìn)行計(jì)算，最終得出齒數(shù)的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)通過(guò)分析齒輪實(shí)現(xiàn)的原因，進(jìn)一步應(yīng)用針對(duì)性措施來(lái)提升其承載力。

4.1.2 尺寸參數(shù)、應(yīng)用強(qiáng)度計(jì)算

由于尺寸參數(shù)的數(shù)量相對(duì)較多，因此在這一過(guò)程中需要切實(shí)根據(jù)實(shí)踐情況，進(jìn)一步計(jì)算齒輪的應(yīng)用參數(shù)（其中包括分度圓直徑、變位系數(shù)等）。通過(guò)這樣的方式進(jìn)一步保障最終計(jì)算的準(zhǔn)確率。

另外，想要進(jìn)一步針對(duì)機(jī)械式變速器的齒輪有效性進(jìn)行判斷，常規(guī)情況下可以選擇使用齒輪強(qiáng)度計(jì)算的方式開(kāi)展。如果齒輪損壞或是故障問(wèn)題發(fā)生，齒輪可能會(huì)出現(xiàn)膠合或折斷等問(wèn)題與出現(xiàn)，因此必須切實(shí)提升池面的抗點(diǎn)蝕能力，充分保障齒輪的平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)應(yīng)用有關(guān)公式能夠發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力在保持傳遞的過(guò)程中，持續(xù)必須保證在懸臂狀態(tài)下。這樣的舉措能夠保障齒輪可靠性得到提升的同時(shí)，切加強(qiáng)汽車(chē)機(jī)械式變速器的平穩(wěn)性能。

4.2 機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)模型

現(xiàn)階段，我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)研究方向是強(qiáng)量化設(shè)計(jì)工作。立足于這一背景下，技術(shù)人員在展開(kāi)設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，往往會(huì)選擇應(yīng)用輕量化設(shè)計(jì)的形式，但這種方法最明顯的弊端，就是會(huì)在很大程度上影響到汽車(chē)的可靠性，這在實(shí)踐中具體表現(xiàn)為汽車(chē)頻繁出現(xiàn)故障。為了充分針對(duì)輕量化與可靠性之間存在的矛盾問(wèn)題進(jìn)行探討，實(shí)際展開(kāi)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須清晰探索出這二者之間的密切聯(lián)系。在針對(duì)輕量化進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其中最關(guān)鍵的內(nèi)容是降低變速器齒輪系統(tǒng)的體積，因此這里將目標(biāo)函數(shù)的內(nèi)容選擇為齒輪系統(tǒng)當(dāng)中齒輪體積的和，在這一過(guò)程中，齒輪的寬度表示為bi，另外齒輪分度圓的直徑則由di表示，由此能夠得出：

尺寸的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程實(shí)踐應(yīng)用的齒輪類(lèi)型，在常規(guī)情況下形狀表現(xiàn)為圓柱形。這就致使當(dāng)后續(xù)要交與齒輪的分度圓模式之間呈現(xiàn)出咬合的形態(tài)之后，可能會(huì)導(dǎo)致一檔與倒擋之間的齒輪會(huì)應(yīng)用完全相同的模數(shù)值。更嚴(yán)重的可能會(huì)使倒擋齒輪自身體積受到倒擋傳動(dòng)比例的影響。立足于這一問(wèn)題下，設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐展開(kāi)工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)以倒擋的傳動(dòng)比作為基礎(chǔ)并展開(kāi)后續(xù)計(jì)算，通過(guò)這樣的方式來(lái)對(duì)倒擋其他類(lèi)型參數(shù)情況進(jìn)行明確。除此之外，在清晰了全部設(shè)計(jì)變量之后，應(yīng)當(dāng)針對(duì)有關(guān)約束條件的構(gòu)建工作展開(kāi)完善，同時(shí)以各個(gè)目標(biāo)函數(shù)作為基礎(chǔ)求出最終解，以此為前提來(lái)達(dá)到降低機(jī)械式變速器系統(tǒng)體積的根本目的，為后續(xù)工作的開(kāi)展奠定良好的基礎(chǔ)。

4.3 約束條件的明確

4.3.1 最大傳動(dòng)比的約束

能夠?qū)е缕?chē)傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比受到約束的條件很多，例如，汽車(chē)的附著力、最大附著度等，必須保障汽車(chē)常規(guī)行駛的過(guò)程不可出現(xiàn)打滑情況。因此本文設(shè)置汽車(chē)主減速器的傳動(dòng)比為io，另外一檔傳動(dòng)比設(shè)置為i1。這二者之間乘積表示為最大傳動(dòng)比，同時(shí)選擇路面的附著條件以及驅(qū)動(dòng)輪作為實(shí)際約束條件，此處可以得出下列公式：

在公式當(dāng)中，r1可以實(shí)際表示為車(chē)輪的實(shí)踐滾動(dòng)半徑;Φ則表示為路面或是驅(qū)動(dòng)輪的附著性條件;汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩表示為T(mén)emax，另外，F(xiàn)n則表示為驅(qū)動(dòng)輪上方的反作用力，實(shí)際表現(xiàn)為傳動(dòng)系的機(jī)械效率，在常規(guī)情況下，其取值一般為0.835。

4.3.2 約束中心距

中心距會(huì)在一定程度上影響到車(chē)輛機(jī)械式變速器的實(shí)際體積，因此在這一過(guò)程中應(yīng)當(dāng)針對(duì)其展開(kāi)充分約束，進(jìn)一步保障汽車(chē)能夠最大程度上完成輕量化設(shè)計(jì)目的，通過(guò)這樣的方式保障實(shí)際設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、內(nèi)容等可以切實(shí)保障實(shí)踐工作需求。在此之后，應(yīng)當(dāng)盡可能保障中心距值被降低，在這一時(shí)刻變速器的實(shí)際傳動(dòng)比較大，另外也要保障發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于較大轉(zhuǎn)矩過(guò)程，實(shí)踐公式表示為：，在這一公式中A表示為中心距。

由于齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的軸向系數(shù)大于等于一，因此為了充分保障齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性，可以切實(shí)達(dá)到如下的約束條件公式：

在常規(guī)情況下，必須保障常規(guī)齒輪的寬度大于其他齒輪的副齒輪寬度，通過(guò)這樣的方式進(jìn)一步保障傳動(dòng)工作的平穩(wěn)性，與此同時(shí)進(jìn)一步延長(zhǎng)齒輪的實(shí)際應(yīng)用壽命。在這一過(guò)程中，能夠使汽車(chē)的實(shí)踐應(yīng)用壽命得到延長(zhǎng)，進(jìn)一步保障汽車(chē)的穩(wěn)定性以及安全性得到提升。

5 ?機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果研究

5.1 機(jī)械式變速器多目標(biāo)優(yōu)化方式

現(xiàn)階段，能夠應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化求解工作的方式相對(duì)較多。本文選擇應(yīng)用綜合目標(biāo)方式，進(jìn)一步針對(duì)車(chē)輛機(jī)械式變速器展開(kāi)優(yōu)化型設(shè)計(jì)。應(yīng)用這一方法的目的，是為了將原本的多目標(biāo)性優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終形成統(tǒng)一性目標(biāo)函數(shù)問(wèn)題，與此同時(shí)應(yīng)用單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方式對(duì)其進(jìn)行求解。實(shí)踐過(guò)程如下所述：

首先，提前給予每一目標(biāo)問(wèn)題合理的期望值，如果最終表現(xiàn)出的結(jié)果能夠滿足有關(guān)約束條件，并且求解值與期望值相近，則可以由此形成評(píng)價(jià)函數(shù)。另外，各個(gè)單元當(dāng)中的優(yōu)化值倒數(shù)為權(quán)系數(shù)，通過(guò)應(yīng)用W1、W2對(duì)各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行分別表示后可以得出：

minF（X）=W1F1（X）+W2F2（X）

W1=1/F*1（X）

W2=1/F*2（X）

在這一公式當(dāng)中，F(xiàn)1（X）以及F2（X）分表用以表示這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)代表的最優(yōu)值。

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

為了充分提升優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)度，本文主要通過(guò)應(yīng)用多重循環(huán)的方式，進(jìn)一步針對(duì)當(dāng)前階段機(jī)械式變速器當(dāng)中出現(xiàn)的離散變量等問(wèn)題進(jìn)行解決。但在實(shí)踐優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)首先針對(duì)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值展開(kāi)優(yōu)化，進(jìn)一步保障目標(biāo)函數(shù)中的加權(quán)系數(shù)得到解決，通過(guò)應(yīng)用統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)來(lái)針對(duì)不同檔位的傳動(dòng)性齒輪展開(kāi)優(yōu)化，實(shí)踐得到的優(yōu)化結(jié)果，如表2所示。

根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷優(yōu)化設(shè)計(jì)工作后得出的齒輪法向模數(shù)、齒輪數(shù)等數(shù)值出現(xiàn)了降低，這也意味著本次多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)置的各類(lèi)型參數(shù)具備充分的合理性。同時(shí)以優(yōu)化后得出的齒數(shù)、齒輪寬度等數(shù)據(jù)與優(yōu)化工作開(kāi)展前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，齒輪的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)。而機(jī)械式變速器齒輪在經(jīng)歷過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其體積也逐漸降低，通過(guò)這樣的方式從根本上保障了車(chē)輛變速器具備足夠的可靠性。此外這一設(shè)計(jì)還使機(jī)械式變速器的可靠性、輕量化之間存在的設(shè)計(jì)矛盾得到了有效平衡，充分改善了原有齒輪中心距的變化情況不相同的問(wèn)題，使車(chē)輛在行駛過(guò)程中的安全性獲得了保障，并在潛移默化中使車(chē)輛的應(yīng)用壽命獲得提升，帶動(dòng)未來(lái)汽車(chē)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

根據(jù)優(yōu)化過(guò)后的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比較后能夠發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)工作后，其中機(jī)械式變速器與車(chē)輛系統(tǒng)重合度得到了提升，變速器的體積也得到了降低，這將在極大程度上提升變速器齒輪系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程的實(shí)踐性，同時(shí)能夠針對(duì)車(chē)輛機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)過(guò)程中可靠性存在故障問(wèn)題進(jìn)行探析，具備有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

6 ?結(jié)論

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，由于人們生活方式的持續(xù)改變，也致使人們對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用性、可靠性的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。機(jī)械式變速器是導(dǎo)致汽車(chē)穩(wěn)定性被影響的關(guān)鍵因素，因此應(yīng)當(dāng)充分針對(duì)其可靠性展開(kāi)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)嚴(yán)格把控優(yōu)化程序、明確優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的未來(lái)路徑，科學(xué)設(shè)置齒輪寬度等相關(guān)約束條件，進(jìn)一步提升機(jī)械式變速器的合理性，保障其能夠充分提升汽車(chē)行駛過(guò)程的安全性。

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