汽车机械式变速器优化设计实现路径分析

李时蕾

(烟台汽车工程职业学院 车辆运用工程系， 烟台 265500)

0 引言

随着人们生活水平的极大改善及汽车行业的迅速发展，汽车已成为日常生活中不可或缺的出行工具，对汽车的性能及安全等方面的要求逐渐提高，变速器在汽车的构件当中起到关键作用，变速器直接影响汽车的性能及行驶速度等，为提高汽车性能及其安全性以满足实际需求，高质量和性能的变速器的配备对于提高汽车的质量起到重要作用，因此应用现代化的科学理念对变速器进行设计和实际应用是目前研究的重点之一。

1 机械式变速器的设计特点及现状分析

1.1 设计特点

(1) 确保机械式变速器的动力能够满足实际需求，实际应用中，机械式变速器是商用车、卡车不可或缺的部分，需配合发动机提供足够大的牵引力以承担重力和高压；(2) 协调性好，在驾校中以机械式变速器形式的教练车为主，具备较高的安全性有助于学车者在练习时进行有效的学习和控制；(3) 机械式变速器汽车具有较高的性价比及安全稳定性能较高，在行驶过程中可减少驾驶员的开车强度，经济实惠。

1.2 现状分析

自动变速器技术目前在主要生产汽车的制造商中使用比较广泛(接近70%)，该技术能够自动试试变速，结合了行星齿轮组合和液力变速器，但其存在传动力效率较低、零部件结构过于复杂等问题，导致维护和保养难度增加，CVT变速技术逐渐发展完善起来表现出良好的应用前景，提高了汽车的动力性和经济性，其利用可变的直径在传递动力作用通过相互配合的从、主动轮和传动带的方式实现，从而在连续时间内做到了传动比的改变，有助于同发动机的高效配合，AT变速器(液体变速器)的工作原理同CTV变速器(无级变速器)的工作原理是不相容的，AT变速器具备相对较好的冲击能量的吸收度[1]。

2 机械式变速器优化设计

通常采用现代化方法对汽车的不同零件系统及机械式变速器等方面的设计进行优化，以使汽车性能得以有效提升，在此基础上针对汽车性能、零部件的结构等，结合精密的数字化计算可使汽车的实用性和舒适性得以有效提高，但对于汽车机械式变速器，采用现代化设计优化的方法后，为确保其性能能够达到设计要求，最终实现汽车轻量化的设计，需在设计好的汽车机械式变速器设计基础上，对其可靠性进行优化设计，以保证变速器性能的稳定性。

2.1 齿轮参数概述

(1) 齿轮参数的确定

完成中心距(取决于传递的结构、扭矩和工艺)和初选模数的确定，机械式变速器自身的重量会随着中心距增大而增加，齿轮的强度受到模数大小的影响程度较大，通常采用公式初选确定模数；确定压力角(包括15°、20°、25°等多种选择)和齿宽，齿轮的接触强度和抗弯强度会随着压力角的增大(合理范围内)而提高，根据公式完成齿角的计算，过大的齿角会增加负载，进而降低齿轮的承载力；确定齿数，完成变位系数的计算，齿轮重合的力度可通过螺旋角的斜齿轮的利用的得以加大，在其产生的噪音降低的基础上提高了强度，再次对轴承上产生的轴向力进行计算以实现最终轮齿数的确定，并对齿轮失效的具体原因进行分析以提高其承载力，进而完成变位系数的确定[2]。

(2) 标准齿轮尺寸及强度的计算

由于参数的数量较多，根据实际情况对齿轮的参数进行计算，包括分度元直径、基圆直径、公法线长度、变位系数、节圆直径等的计算，需确保每个数据的准确无误，以提高计算的准确率。

对于机械式变速器的齿轮，判断齿轮的有效性通常通过齿轮强度的计算完成，齿轮出现故障和损坏时通常表现为齿面点蚀、轮齿折断、齿面胶合三种形式，需保证齿面具有抗点蚀的能力以确保在使用时间内的齿轮能够正常工作，结论通过计算公式(H.R.Hertz，两弹性圆柱体接触面最大得出。在动力传递过程中需确保齿轮处于悬臂的状态，在确保齿轮可靠性的基础上实现轻量化设计，从而可使汽车机械式变速器的可靠性得以有效提升。

2.2 变速器的设计模型分析

考虑到以轻量化设计方向为发展趋势的汽车机械式变速器在实际设计过程中，在一定程度上轻量化设计会增加汽车可靠性降低的发生概率，为有效平衡机械式变速器轻量化设计和可靠性的矛盾，设计机械式变速器时需对二者间的关系进行权衡，变速器的转动比在换挡时需进行对应的改变，变速器齿轮系统体积缩小是轻量化设计的关键所在，机械式变速器包含若干齿轮，齿轮体积之和最小可作为轻量化设计的目标函数，在变速器中由bi表示各齿轮的宽度，各齿轮的分度圆直径由di表示，如式(1)。

(1)

鉴于齿轮传动采用渐开线圆柱齿轮，两个齿轮的分度圆的模数和压力角在相互啮合状态时相等，倒档齿轮和一档齿轮二者间取相同值的模数和螺旋角，倒档齿轮的体积受到倒档传动比的直接影响，在设计完前进档位的齿轮基础上，倒档齿轮的其他参数能够根据倒档转动比计算获取，第i档齿轮分度圆柱螺旋角由βi表示，五个齿轮齿宽由bi表示，第i档齿轮法向模数由mni表示，其中i=1，2，3，4，5；齿轮齿数由zi表示，其中i=1，2，…，10，齿轮系的体积如式(2)[3]。

(2)

以变速器各档传动比间的关系为依据 ，将上式转换为关于相关基本参数的函数(包括齿轮分度圆柱螺旋角、法向模数等)，表达式为：F(x) =V。

在确定设计变量的基础上完成约束条件的构建，对目标函数进行求解，从而使汽车变速器系统体积得以缩小，达到兼顾轻量化和可靠性的设计要求。考虑到在设计过程中变速器的影响因素及涉及参数较多，增加了变速器的设计的复杂程度，本文为简化设计只将主要参数作为优化设计变量，如式(3)

X=[X1,X2,X3,…,X17]T=[i1,i2,i3,z1,z2,mn1,mn2,mn3,mn4,β1,β2,β3,b1,b2,b3,b4]T

(3)

2.3 确定约束条件

(1) 变速器最大传动比约束

汽车传动系统最大转动比的约束较多包括汽车附着力、最低稳定车速及最大爬坡度，路面行驶的汽车需确保驱动轮不打滑，由i0表示主减速器传动比，由i1表示变速器1挡传动比，最大传动比为二者乘积，约束条件以驱动轮与路面的附着条件为依据具体表示如式(4)～式(6)。

Tmax*i0*i1*ηT≤Fn*φ*R

(4)

(5)

(6)

m表示汽车总质量，汽车最大爬坡度(通常为16. 7°)由αmax表示，rr表示车轮滚动半径，道路滚动阻力系数由f表示，轿车的f= 0.016 5 + 0.000 1(Vmax-50)；L表示汽车轴距，驱动轮和路面的附着系数(受路面潮湿情况的影响)由φ表示，驱动轮上法向反作用力由Fn表示，传动系机械效率由ηT表示(取值为0. 835)，发动机最大转矩由Temax表示[4]，约束条件以最大爬坡度为依据具体如式(7)。

(7)

(2) 中心距约束条件

变速器的最终体积大小取决于中心距，需对其进行约束以更好的实现轻量化设计要求，在确保设计强度满足需求的基础上，在最大程度降低中心距A的值的情况下，变速器最大传动比的值需最大，同时需保证最大的发动机最大转矩，经验式如式(8)～式(10)。

(8)

中心距约束条件表达如式(9)、式(10)。

(9)

(10)

齿轮传动的轴向重迭系数εβ=bsinβ/πmn≥1，以保证齿轮传动的平稳性，于是得到约束条件为式(11)。

CI7=πmni-bsinβi≤0

(11)

对于轿车来说，模数约束(mni)取值范围通常为[ 2. 25，3. 0]，螺旋角约束的中间轴式变速器(βi)取值范围为[22°，34°]，齿宽约束(b1)取值范围为[ 7.0mni，8.6mni]，常啮合齿轮副处于传动状态，齿宽要不小于其他齿轮副齿宽(b1≥bi，i=2，3，4，5)，以保证传动的平稳性并提高齿轮使用寿命[5]。

3 实验优化设计及结果

由表中数据可知第i档齿轮分度圆柱螺旋角由βi、第i档齿轮法向模数mni、齿轮数z及齿轮宽度b的数值皆得以降低，结果表明优化参数合理，对比改进前的模数、齿数、齿宽，改进后的模数、齿数、齿宽均减小，改进后的变速器齿轮系体积明显减小，从而使机械式变速器的可靠性得以显著提升，有效平衡机械式变速器轻量化设计和可靠性，为变速器系统提供数据和决策支持[6]。

表1 优化结果

4 总结

为提高汽车驱动控制器的性能以满足安全行驶的需求，本文主要研究了对汽车机械式变速器进行优化设计的实现路径，在优化程序上严格控制，完成机械式变速器基础优化模型的构建，确定了模数、齿数、齿宽、螺旋角约束条件，以及齿轮可靠性及变速器最大传动比等关键部分的约束条件，提高机械式变速器设计的合理性，从而使其性能更加稳定。