汽车机械式变速器可靠性优化设计

杨俊杰

摘要：在社会经济飞速发展中，人们物质生活条件越来越好，在此过程中汽车数量也随之增多，同时获得迅猛发展的还有各项汽车技术，作为汽车内部不可或缺重要构件之一的变速器，其在汽车技术发展阶段中也形成了机械式变速器这一产物，这也标志着汽车技术性的改革。要充分发挥机械式变速器提升汽车加速稳定性的优势，就需要进一步优化机械式变速器可靠性设计。本文笔者就汽车机械式变速器可靠性优化设计相关问题展开论述，旨在最大化提升机械式变速器可靠性，确保汽车整体性能。

关键词：汽车;机械式变速器;优化设计

运行中的汽车基于发动机的核心作用带动其内部各系统，多系统之间相互协调，保证汽车运行的稳定性。变速器在控制汽车行驶速度环节中有着至关重要的作用，通过变速器的协调作用来改变汽车内部结构配置，从而调整汽车速度。所以，一定要注重汽车机械式变速器设计内容中的可靠性设计，最大化的满足汽车行驶过程中的变速需求，实现汽车整体性能优化。

1 汽车机械式变速器及优化设计问题

1.1 机械式变速器设计原理

行驶过程中的汽车发动机处于大动率运行状态，这也意味着发动机的运行效率非常高，发动机变速器的功用主要有：①改变汽车行驶速度和牵引力;②让发动机在最有利的工况下工作;③改变驱动轮旋转方向;④实现空挡以及驱动其他机构。整体而言，变速器有手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、手动/自动变速器（A/MT）和无级变速器（CVT）这四种分类，自动变速器中最常用的液力自动变速器，可根据油门开度与车速变化自动换挡[1]。无级变速器是自动变速器的一种，具有油门反应快、油耗低的特点。

机械式变速器（Manual Transmission）采用齿轮组，每档的齿轮组的齿数是固定的，所以各档的变速比是个定值（也就是所谓的“级”）。比如， 一档变速比是3.85，二档是2.55再到五档的0.75 ，这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值（即有5级），所以说它是有级变速器。

1.2 机械式变速器可靠性优化设计问题

车体外形动力设计与汽车表示外形设计可以作为汽车机械式变速器设计的参考信息，汽车机械式变速器设计是以汽车单元系统为核心展开的，起点为汽车动力系统，要确保汽车动力系统能够合理的提供汽车运行所需动力输出。汽车行业在全新的发展形势下有以下四个方向，即车体轻量化、车体科技化、汽车低耗能和汽车低排放，在汽车制造中应用机械式变速器的优势体现于其能确保汽车发动机功率输出的平稳性、确保汽车变速的安全性以及确保汽车变速的平滑性[2]。机械式变速器可靠性优化设计工作具有一定复杂性，期间牵涉的内容非常多，设计人员一定要从整体角度考虑布局合理性。不过由于相关技术的限制，此前汽车机械式变速器可靠性优化并不能完全按照既定的技术进行，最终效果始终达不到设计理论的要求。

2 汽车机械式变速器可靠性优化设计

2.1 变速器整体优化设计

可靠性与轻量化是汽车零部件设计中最为矛盾的两个关系，如若能平衡这两个设计要求，也算是实现变速器整体优化的一个目标了。针对汽车机械式变速器设计中平衡可靠性与轻量化的问题，关键在于传动变化和齿轮换挡，尤其是变速器整个齿轮系统的体积对上述两点有着明显的影响。因此，变速器设计中轻量化设计板块的目标函数最好选择变速器齿轮体积的最小值，处于传动状态中的变速器齿轮系统主要为渐开线圆柱齿轮设计。那么在具体设计环节中，要保证互相啮合的齿轮拥有一样的分度圆模数和分度圆压力角，同时保证倒挡齿轮与一档齿轮拥有一样的螺旋角和模数[3]。从某种角度来说，倒挡传动比控制着变速器倒挡齿体积，所以在设计过程中，结束前进挡齿轮设计后就要围绕倒挡传动比计算其他作用参数。归纳一下就是，先确定设计变量，然后在建立约束条件的基础上完成目标函数设计。

2.2 变速器齿轮优化设计

2.2.1 把控变速器齿轮模数与压力角

在优化变速器齿轮设计的进程中，与齿轮关联性最强、影响最大的就是压力角和齿轮模数。齿轮模数数量越多，则齿轮厚度值就越大，所以要想确保齿轮的可靠性、实用性，在设计环节就要对模数做到严格控制，让每个变速器齿轮相互间都对应着与之匹配的模数。对压力角数值有关联的除了点离基圆的距离以外，还有渐开线，所以关于压力角的选择一定要全面的分析渐开线运动方向和有关的受力分析，每一个相关因素都要考虑在内，才能实现最优化的压力角选择。

2.2.2 确定好齿轮宽度与螺旋角度

就理论层面而言，分度圆直径数值和齿轮宽度系数相乘之数即为机械式变速器的齿轮宽度。但是，在具体设计过程中为了全面考虑齿轮的稳定性与可靠性，有必要有选择性的调整汽车变速器本身的体积、质量，通常调整内容是适当降低相关数值。此外，还需要综合考虑承载能力，最好能得到精确计算后的结果，而关于螺旋角度的确定，既要在国际通用范围内，还要合理的控制倾斜程度，两个条件均满足后才能最大化发挥斜齿优点。

2.2.3 保证齿轮修正工作质量

齿轮设计前，就要严格遵照国际通用标准，完成设计后也需要围绕国际通用标准再次检查各项参数与强度。就正式设计前，最好提前结合有关的国际通用计算方法和标准，得出精确的齿轮纵向尺寸与轴向尺寸。因为齿轮性能将在很大程度上影响到变速器质量，所以为了让机械式变速器可靠性得以提升，一定要高度重视齿轮设计的科学性，这里的关键就在于齿轮修正，修正工作是确保齿轮体现最佳性能的重要环节。

2.3 变速器可靠性优化设计

针对目标优化函数设计，需要灵活使用相关数学软件才能实现设计目标。比如，应用Matlab6.5工具箱中的fmincom函数来处理非线性约束条件的优化问题，有关设计人员最好在一个文件中集中约束条件、目标函数等，有针对性的从中获取约束条件即可，同时编写其他变速器齿轮系统限制条件，构建多目标多元化的非线性函数[4]。另外，以轻量化为基础的模型设计，通过对比多目标优化设计函数即可验证汽车机械式变速器的可行性。据有关数据分析得知，基于可靠性、轻量化的复合优化设计能大大缩小变速器齿轮系统体积，并提升系统可靠性。

2.4 变速挡位优化设计

2.4.1合理把控变速器档数

相关设计人员可在允许范围内适当上调机械式变速器档数，从最初设计上增加档数来促使汽车发动机发挥最大功率的有效价值，与此同时让汽车获得更为充足的运行动力，强化变速能力，从而实现汽车机械式变速器可靠性优化目标。不过变速器档数不可无限制的上调，当机械式变速器自身结构过于复杂时，就会增加驾驶难度，降低车主使用性和体验感。

2.4.2精确计算档位传动比

不同的汽车型号必然对应着不同的档位传动比，比如小型货车档位传动比范围通常在6-8之间，载重较大的大型货车档位传动比通常为8，载重偏小的小轿车档位传动比范围通常在2-5之间。因此，在计算挡位传动比的环节汇总，要立足于汽车的具体信号以及真实使用情况考虑，尽可能保证机械式变速器性能的可靠性和稳定性。

3 结语

总而言之，汽车机械式变速器是市面上绝大部分汽车使用的变速器类型，目前混动技术中已经出现了电动机与机械式变速器一体化技术，所以关于机械式变速器的设计细节和设计方式有待进一步思考、细化和判斷，从多个不同的角度去优化机械式变速器，达到提升机械式变速器可靠性优化设计的目的。

参考文献：

[1]李淑廷，李英，许春平，等.汽车机械式变速器多目标可靠性设计分析[J].现代经济信息，2019.

[2]陈芳.基于可靠性的汽车机械式变速器变速传动机构设计[J].微型电脑应用，2020，322（02）：142-144.

[3]黄瑾媛.汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究[J].南方农机，2019，050（010）：157.

[4]李时蕾.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].微型电脑应用，2019，35（05）：143-145.