车辆机械式变速器多目标可靠性优化设计

刘磊 柳运灿 皮原笛

摘要：目前中国汽车机械式变速器的设计应用还存在一定的缺陷，对车辆的质量造成了一定的影响。为了提高汽车机械式变速器的性能，使其能够满足安全形式的要求，文章对车辆机械式变速器的多目標可靠性优化设计进行了研究，以供参考。

关键词：车辆;机械式变速器;多目标;可靠性;优化设计

人们生活水平的提高以及科学技术的不断进步，推动了中国汽车行业的发展。目前在人们的日常生活当中，汽车已经成为了不可缺少的主要出行工具，人们对汽车的性能和使用安全等的要求也逐渐提高。而在汽车结构当中，变速器有着非常重要的作用，其对汽车的性能、行驶速度等有着直接的影响。因此，为了能够保证汽车的性能，提高汽车的寿命和安全性，就必须要保证变速器的高质量和高性能。

一、机械式变速器设计的特点研究

首先要保证设计的机械式变速器的动力能够达到设计的目标，满足实际的需要。机械式变速器一般应用于卡车和商业车当中，所以应对该类车的实际应用情况进行考虑，保证机械式变速器能够与发动机相配合，为车提供足够的牵引力，让其承担重力和高压的能力得到增强。其次应提高机械式变速器的协调性，目前驾校内使用的教练车一般都是机械式变速器形式，其拥有较高的安全性，才能保证学车者在练车的过程中能够对车辆进行有效的控制。最后机械式变速器汽车拥有较高的安全性、稳定性和性价比，并且价格较低，比较实惠。

二、汽车机械式变速器优化设计研究

对汽车机械式变速器进行优化设计一般采用现代化先进、科学的方法，以此提高汽车的性能，并有效针对汽车的零部件结构等内容，与更加紧密的数字化计算相结合，进一步提高汽车的安全性、稳定性以及舒适性。

（一）优化设计齿轮参数

1.确定齿轮参数

首先应该确定中心距和初选模数，因为机械式变速器的自重会因为中心距增大而不断增加，所以齿轮的强度会受到较大的模数影响，因此一般采用公式初选确定相应的模数参数。其次应该确定压力角和齿轮的宽度，因为压力角增大，会提高齿轮接触和抗弯的强度，根据公式对其进行计算发现，当齿角过大时，会在一定程度上增加负载，从而将齿轮的承载力降低。最后应该确定齿数，计算变位系数，通过利用螺旋角的斜齿轮可以加大齿轮的重合力度，不仅能够降低产生的噪音，还能提高强度，然后再计算轴承上产生的轴向力，最终确定齿数，并分析齿轮实现的原因，采取有效的措施将其承载力进一步提高。

2.计算齿轮尺寸及使用强度

因为齿轮参数量相对较多，所以必须完全依照实际的情况计算齿轮参数（比如变位系数、分度圆直径、公法线长度等），保证计算的准确率。

要想判断机械式变速器的齿轮有效性，一般可以采用计算齿轮强度的方法进行。当齿轮出现故障和损坏的情况时，齿轮往往会出现折断、胶合等现象，需要提高齿面的抗点蚀能力，才能保证齿轮能够正常运行。应用相应的公式（两个弹性圆柱体接触面公式）可以知道，动力在传递的过程中，齿轮需要保持在悬臂的状态，以便在提高齿轮可靠性的同时，最终实现轻量化的优化设计工作，进一步提升汽车机械式变速器的可靠性。

（二）分析机械式变速器设计的模型

由于现在轻量化设计是目前的主要设计方向，所以在实际的优化设计过程中，经常会采用轻量化设计，但是在一定程度上降低了汽车的可靠性，降低汽车出现故障的概率。为了将机械式变速器轻量化和可靠性设计之间存在的矛盾有效解决，在进行设计时需要充分考虑并权衡两者之间存在的关系，在换挡的过程中应该对应改变变速器的转动比。在轻量化设计当中，缩小变速器齿轮系统的体积是最重要的内容，所以可以将齿轮系统中的齿轮体积之和作为目标函数，将齿轮的宽度由bi表示，齿轮分度圆直径由di表示，可以得到：

v=n4Σ101bid2iv=n4Σ110bidi2 （1）

因为齿轮的传动采用的齿轮类型为渐开圆柱型齿轮，当齿轮的分度圆模数与压力角的状态为咬合时，倒挡与一档的齿轮之间会取相同的模数值以及螺旋角，倒挡传动比会直接影响倒挡齿轮的体积，所以在对前进挡位齿轮设计完成之后，可以依据倒挡转动比计算获得倒挡的其他参数情况。通过明确设计变量，从而完成构建约束条件，求解目标函数，从而缩小汽车机械式变速器系统的体积，让汽车的轻量化设计与可靠性设计都能同时满足。

（三）明确约束条件

1.最大传动比的约束研究

约束汽车传动系统最大转动比的因素相对较多，比如最大爬坡度以及车辆的附着力等，汽车在路面上行驶不能出现打滑的现象。设定主减速器的传动比为i0，一档传动比用i1表示，二者的乘积将为最大的传动比，将驱动轮和路面的附着条件作为约束条件，可以得到：

G3（X）=i1−FnΦrrTemaxi0ηT≤0G3（X）=i1-FnΦrrΤemaxi0ηΤ≤0 （2）

式（2）中，rr表示车轮的滚动半径;Φ表示驱动轮和路面附着条件;Fn表示驱动轮上法向反作用力;表示传动系机械效率，一般其取值为0.835;Temax则表示汽车发动机最大转矩。

三、结语

随着社会经济的不断发展，人们的生活质量和生活水平得到提高，人们对汽车的使用安全性、稳定性和可靠性的要求越来越高。而车辆机械式变速器是影响汽车稳定性的重要因素，要想车辆机械式变速器的可靠性得到优化设计，就必须明确进行优化设计的实现路经，严格控制好优化的程序，构建车辆机械式变速器基础优化的模型，并确定中心距、齿轮宽度、齿轮数量等约束条件，将车辆机械式变速器设计的合理性进一步提高，以保证机械式变速器的稳定性能，让其能够满足安全行驶的需求。

参考文献：

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[3]贾冉.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].山东工业技术，2017，36（6）：288.

[4]梁兆祥.汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化[J].山东工业技术，2016，35（20）：287.

作者简介：

刘磊 柳运灿 皮原笛，临沂大学。