汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计分析

赵杰

山西铁道职业技术学院，山西太原，030000

0 引言

汽车行业的发展带动了汽车自身的进步，变速器变速传动机构在一定程度上决定了汽车在驾驶过程中的平稳性以及动力，为了符合汽车行业不断发展的需求，汽车变速器变速传动机构一直在不断地优化中，以实现汽车驾驶的可靠性。

1 汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化意义

汽车机械式变速器的主要功能就是在汽车行驶过程中充当驾驶员的杠杆对相应的齿轮位置进行变动从而达到变速的效果，变速传动机构就是利用这一点来操纵变速箱中不同齿轮进行变速。将主减速器加入到变速传动系统中，能够有效地将主减速器与变速箱功能进行融合，以此达到不同环境下对于汽车的减速和牵引功能。因此，汽车变速传动机构需要的就是足够的可靠性，能够让变速传动机构在工作时达到预想的目标。要让汽车变速传动机构实现足够的可靠性，就需要考虑到机械变速系统的时间、成本以及质量等各项指标，整合所有对变速传动机构可能造成影响的因素加以考虑，从而实现对于汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化，使汽车在不同环境情况下平稳、安全地行驶。

2 汽车机械式变速器变速传动机构可靠性分析

2.1 变速齿轮的体积影响分析

齿轮在变速系统中占据重要的地位，是能够影响最终变速系统核心效果的因素之一。在设计时一般尽量做到成本低、体积小、重量轻的齿轮，因为齿轮的体积决定了变速箱的体积，将齿轮的体积缩小能够减轻汽车整体的重量，使汽车的重量更加均匀地分布在车身上，从而增强汽车的稳定性[1]。在设计方面，除了考虑到齿轮的体积问题之外，还可以将齿轮的结构进行改变，以空心结构的角度进行设计，这样会降低设计齿轮时的难度，加快设计效率。由于变速传动机构的运行主要都是通过齿轮之间的咬合转动来进行的，所以对于齿轮边缘齿上的重合度要做到最高，提高齿轮工作时的咬合力，增大整个变速传动系统对于汽车行驶过程中的控制力以及承载能力，还可以降低工作时的噪音。

2.2 变速器轴的可靠性分析

变速器轴是变速传动系统中的重要连接部分，能够实现应力的有效输送。由于变速器轴的功能，其结构也很复杂，变速器轴的构成包括轴肩段、过渡段、齿轮安装段以及轴颈段。由于其传递应力的特性，变速器轴的材料选取时应注意刚度，各个结构的复杂性决定了变速器轴的结构需要具有稳定性。因此在优化设计变速器轴的时候应该重点注意这两点，可以通过降低变速器轴的质量来实现稳定度，之后将这两个度作为变速器轴的主要可靠性优化设计因素。

2.3 花键的可靠性分析

花键作为汽车变速传动系统中的重要部分也具有很重要的作用。花键同样具有边齿，但是和齿轮相比，花键的齿根较浅，比较适合应用于多齿轮的结构，能够有效承载多齿轮的工作，并能够实现最终性和导向性。由于花键的齿比较浅而且体积较小，因此花键的应力效果不高，有利于保持变速器轴的刚度。花键作为齿体积相对较小的结构，需要在不同的环境以及其他部件不同的情况下进行受力情况的分析，从而得出最适合花键的可靠性分析。

2.4 轴承在汽车变速中的可靠性分析

轴承在汽车机械式变速传动系统结构中起到很重要的作用，轴承大多起到支撑的作用，会受到各种不同程度的荷载。轴承的类型多种多样，有向心球轴承、滚针轴承以及径向球轴承等。一般在第一轴上可以采用向心球轴承，在变速器轴的第二轴前端会使用滚针轴承[2]。通过对轴承可靠性的分析，有利于提高轴承对于汽车整体的支撑能力，从而使汽车系统更加稳定，但是在优化设计过程中要考虑到轴承的磨损毁坏问题，并对轴承的荷载进行改动，以防轴承在实际使用过程中的动能荷载能力出现问题。

3 汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计

3.1 齿轮参数确认调整

在齿轮参数确认的过程中要对其他的变量进行测量确认，包括中心距离以及模数。由于机械式变速器的重量是一个因变量，会随着中心距离的增大而产生正向变化，从而导致模数的变化，这会导致齿轮最终的数值强度无法确定。因此，在进行齿轮参数的确认时，最好通过公式确认模数，保证齿轮的强度。齿轮参数还可以通过压力角以及齿角的数值进行确认，压力角的数值变化和齿轮的后续齿抗弯程度相关并呈现正向关系，也就是压力角越大，后续齿抗弯的能力也就越强[3]。在齿角相对较大的时候，荷载的重量就会增加，从而降低齿轮的荷载能力。在选择齿轮时一般会选择斜齿轮，因为该齿轮的重合度较高，能够最大程度地保证汽车行驶过程中的稳定性以及承载力，还可以减少噪音。但由于斜齿轮的参数一般为整数，所以在进行初选模数时要满足国际管理标准，如果啮合齿轮无法提供有效的公因数，就需要构建齿轮模型，再进行齿轮参数的处理。

在进行齿轮其他参数的处理时，还要根据汽车内部实际情况切实计算分度圆直径、变位系数等数值。齿轮在汽车行驶过程中有所损坏是很正常的事情，但是要对齿轮损坏情况进行分析，提高齿轮轮面的抗压抗腐蚀能力，保持悬臂状态下的应力传输，保证齿轮的可靠性提升。

3.2 部件可靠程度分配

变速传动机构包括变速齿轮、变速器轴、花键以及轴承，这些部件的可靠性应有不同的分配标准和分配数值，以达到将变速传动机构整体的重量减轻、降低成本的效果。关于这些部件的可靠性最佳具体分配要根据不同的部件参数进行计算，对于变速齿轮的可靠性程度分配中，接触强度和弯曲疲劳强度参数是主要参数；对于变速器轴的可靠性程度分配中，要考虑的主要参数是轴疲劳刚度以及强度；对于花键的可靠性程度分配中，考虑的是花键疲劳强度；轴承则不做可靠性程度的分配以及参数计算，因为轴承的成本及更换花费都很低。最后要得出几个部件的可靠度分析就可以将以上的所有参数相乘，以此来得出合理的部件可靠性程度具体数值。

在进行参数分析以及可靠性程度分配之后，可以通过概率统计计算整体变速传动机构的可靠性优化设计模型。对于零部件的优化设计模型的建立，最先还是要确认目标函数数值。该数值的算法为初始值的选取，一般为零部件的体积或尺寸，比如对变速齿轮进行体积数值的选取以及重合度数值的选取，之后按照这两个数值进行体积最优化以及重合度的最优化，以此得出两种因素的最优值，并从最优值中得出体积以及重合度的权系数，将两个权系数进行优化运算，最后得出最优值，从而建立起变速传动机构的可靠性优化设计模型。

3.3 约束中心距

在可靠性优化设计模型建立之后，要对零部件的变量做出选择和统计。比如在变速齿轮的变量选取上，就会选取相对来说对可靠性影响较大的体积以及负荷。齿轮的体积越小，就越有利于汽车整体的稳定性以及行驶过程中的速度控制。而齿轮的负荷能力主要体现在多个齿轮的共同工作过程中，所以适当减少单个齿轮的负荷能力，不仅可以保持齿轮的刚度、减少摩擦，还可以提高变速传动机构的稳定性并减小噪音。但是在进行变量的设计之后还需要确定一些约束条件，以使可靠性分析优化设计的结果范围更加精准。第一种约束就是中心距的约束，中心距的数值能够影响变速器的重量以及体积，中心距越大，变速器的体积以及重量也会越大，所以在具体的可靠性数值计算的时候，要对中心距进行约束，以此来保障中心距以及可靠性程度的最终计算结果能够应用到实际中，具有实际意义。要对中心距进行约束，需要对转矩以及传动

比进行计算，计算方法为：将传动系的机械效率（一般为0.835）与档位上的传动力设置相乘并开三次方，得出的数值与中心距相乘，最终得出中心距的约束数值[4]。以变速齿轮为例，常规状态下，齿轮的宽度需大于副齿轮的宽度，这样才可以对中心距进行有效地约束。除此之外，还需要对传动比进行约束，因为最大传动比的影响因素很多，比如汽车附着力以及最大附着度。所以可以从汽车的传动比进行条件设置，将车轮式机滚动半径同附着性条件以及驱动轮上方反作用力进行互乘，得出的数值除以汽车实际发动机的转矩与主减速器的传动比之积，得出的数值再被另一档的传动比减去，即可得出最大传动比的约束值，且得出数值小于等于0，其中驱动轮上方反作用力一般为0.835。本文以最大转矩153N·m为例，进行了相关齿轮的中心距的计算，具体数据如表1。

表1 约束中心距计算

3.4 连接可靠性优化设计

在变速传动机构中，每个部件都有十分重要的作用，汽车变速传动机构正是由这些重要的零部件组合而成的完整整体，所以要实现汽车变速传动机构的可靠性，就需要将所有汽车变速传动机构中的各部分进行合理的连接以及完美发挥各部分功能。在进行零部件的整体连接过程中，要从零部件的具体情况出发进行连接优化。比如对于变速齿轮，就要考虑到其体积大小、尺寸大小以及齿轮在应用过程中的耐久度以及荷载能力等因素，根据这些参数才能进行变速齿轮的连接。

每个部件都需要使用连接结构进行连接，继而保证整体的协调运转。所以在考虑到每个零部件的具体参数时，还要将所有零部件的参数都进行整合，不能片面地只考虑到单个零件。要以全面的参数条件去进行整体汽车变速传动机构可靠性的连接。整个连接的过程是很复杂的，因为零件的参数会产生变化，而且各个不同零件的参考参数也各不同。比如变速曲轴的参数是轴刚度、轴稳定度以及磨损程度，但是对于花键来说参数的范围就是疲劳强度。因此要在零部件的连接这样复杂多变的情况中实现可靠的有效连接，需要连接结构的帮助，一般会使用如铆钉、螺母、键等固定件进行连接。要保证连接后的连接结构具有足够的稳定性、零件位置准确、连接位置在工作过程中运行顺利。对于连接结构来说，由于要连接的零部件共同运行起来会产生很强的负载，因此还要确认并增强连接结构对于零部件正常工作时产生的负载承受能力。可以使用钻孔或者加工槽位的方法对连接结构的承载能力进行评估判断。要时常检查连接结构的磨损程度以及紧凑程度，以此保证连接结构的可靠性。

3.5 变速器轴可靠性优化设计

在汽车变速传动机构中，变速曲轴一直都是结构最为复杂的。可以分为轴肩段、轴颈、中间轴等。变速器轴一般都在汽车变速传动机构中起到承载压力的作用，因此对于变速器轴的可靠性优化也应该侧重承载能力方面。应该对变速传动机构的整体的中心距进行调整，使其在一个适当的范围内，由于中心距越大，变速箱的重量也就越大，因此要适当减少中心距，使变速箱的重量减轻。在对于其他零部件的构造选择时，也尽量以重量轻的标准实行，减轻整体的变速传动机构的重量，达到减轻变速器轴负载的目的。还可以通过对变速箱的箱体进行加筋优化，这样不仅可以提升箱体刚度，还可以提高固有频率，从而达到降低箱体振动的目的[5]。在变速曲轴的工作过程中，曲轴接收到应力，并在之后将这些应力传送到变速传动机构中，通过变速传动机构中的齿轮将动力传输到输出轴，最终完成这一系列的工作过程。在此过程中，由于变速曲轴需要承载来自发动机的应力，所以曲轴轴面的各个角度的数值都很重要。曲轴各个方面的角度都会影响到最终变速传动机构整体的可靠性程度。要保证变速曲轴的可靠性在一个稳定状态，就需要将曲轴中阶梯轴利用起来，利用阶梯轴完成截面轴的作用。在变速曲轴的可靠性的增强和维持中，要详细分析不同轴具体作用、受力参数、角度等因素，优化曲轴中转矩、弯矩以及轴径的设计，继而提高变速曲轴的可靠性。

4 结语

汽车机械式变速器变速传动机构对于汽车整体的行驶来说是非常重要的。变速传动机构能够有效地控制汽车行驶中的速度变化，提升汽车整体的稳定性以及使用寿命。虽然现在机械式变速器的市场受到了一定的冲击，但机械式变速器仍然是当今市场上的主流变速器，所以在机械式变速器的可靠性方面，仍然需要进行不断地提升以及优化，做到变速传动机构的可靠性程度保持稳定。