汽车机械式变速器的可靠性优化设计

游年华

（闽北职业技术学院，福建南平353000）

汽车机械式变速器的可靠性优化设计

游年华

（闽北职业技术学院，福建南平353000）

针对目前汽车机械式变速器的设计应用缺陷，分析了变速器的设计应用现状，并提出了具体的设计特点和设计实现方法。其目的是为相关设计人员提供一些理论依据。

汽车机械式变速器；轻量化；可靠性优化设计

随着我国市场经济发展进程的不断加快，汽车使用不断普及，人们对汽车设计使用的安全稳定性需求越来越高，对汽车驾驶过程中的操控效果及感受也随之提高，其中汽车机械式变速器是用来保证车辆驾驶操控效果的重要设计部件之一。但在实际设计过程中，相关人员却没有将其重视起来，这就在一定程度上阻碍了我国汽车行业发展的步伐。基于此，相关设计人员应从汽车机械式变速器的设计特点和设计方法出发，来实现变速器的可靠性作用效果。

1 汽车机械式变速器设计应用现状

汽车机械式变速器已经成为满足车辆驾驶人员需求的重要变速方式，是实现车辆驾驶操控性、安全性的重要零部件，这就意味着设计人员必须要发挥出其换挡传动的作用效果又要满足驾驶者的操控感受及变速器的使用寿命，这是保证汽车行驶安全性和可靠性的关键。

然而，在目前的设计应用过程中，由于汽车机械式发动机的输出转速较高，这就使得最大扭矩和最大功率问题会出现在转速区。在此情况下，设计人员必须通过一套变速装置，来协调发动机的转速和车轮行驶速度。现阶段，随着科学技术水平的不断进步，传统变速器的设计方法已经难以满足汽车机械式变速器的设计要求。具体来说，汽车零部件设计人员均将精力集中于实现整备质量的降低和平稳性，这就使得设计人员更为关注汽车使用的轻量化和节油效果。具体就是通过采用现代设计方法经过精密的数字运算优化设计，其能够获得最佳的设计功能，或者实现局部零部件及其结构设计上的优化，进而实现整车的轻量化，从而促进节油和低尾气排放[1]。

2 汽车机械式变速器设计特点分析

汽车变速器是为汽车运行提供可变速度的重要零部件之一，其中机械式变速器是目前市场上各种汽车变速器中较为古老的一种调速设计。由于汽车机械式变速器是通过齿轮组来实现传动的，其齿数与各档的变速比要通过设计进行固定。因而，设计人员要在明确汽车机械式变速器设计特点的基础上，找出其可靠性优化的设计方法。

首先，设计人员要保证机械式变速器的作用效果具有极强的传动能力。例如，卡车和商务的机械式变速器，可靠性设计不仅要使其能够承担高压和自重，还要与发动机设备进行配合以实现车辆的牵引力[2]。

其次，设计人员还要能够让汽车机械式变速器设计满足经济适用性以及协调性的原则。以驾校用车过程为例，该类车辆均为机械式变速器，这是因为手动换挡不仅能够巩固驾驶人员的基本用车知识，还能实现练习的安全性和控制便利性。

最后，对于家庭汽车的使用及设计来说，选择机械式变速器车辆的性价比最为合算。目前的市场环境中，机械式变速器在各大汽车品牌的车型中均有使用。相关研究表明，这类汽车的开车强度较低、误操作率低、经济实惠且安全稳定性较高，因此，被广泛应用于当前的交通运输环境。

3 汽车机械式变速器的可靠性优化设计

3.1 建立变速器设计模型

相关研究表明，汽车零部件设计的轻量化与可靠性有一定的矛盾关系，因此，设计人员在实际的设计过程中，要注重这两者之间的平衡。对于汽车机械式变速器的设计过程来说，其轻量化与可靠性的平衡主要体现在齿轮的传动变化与换挡变速控制。而这两个变化因素又是由变速器齿轮系统的体积来决定的，因而，在建立变速器设计模型时，要以变速器齿轮体积之和最小作为轻量化的设计目标函数[3]。具体来说，由于变速器齿轮系统是通过渐开线圆柱齿轮来进行传动的，模型设计人员要保证相互啮合的两齿轮分度圆模数相等、分度圆压力角相等。

此外，还要使倒挡齿轮螺旋角和模数与一档齿轮取值相同。由此可见，变速器倒挡齿轮的体积是通过倒挡传动比来实现控制的。因此，在实际设计过程中，当汽车机械式变速器前进档齿轮设计完成后，就可根据倒挡传动比计算出实现倒挡齿轮传动的其他作用参数。具体就是先要确立设计变量、建立约束条件，来实现目标函数的准确设计。这样一来，就可实现汽车机械式变速器系统的轻量化设计目标，从而优化了设计应用的可靠性。

3.2 变速器齿轮设计模型

变速器设计模型的应用仅仅从齿轮体积方面实现了轻量化设计，其对于可靠性内容的涉及十分有限。因此，相关建设人员应通过监测变速器齿轮的设计模型，来实现可靠性目标的分析。具体来说，由于变速器齿轮均设置有监测装置，这就使得相关工作人员能够实时监测齿轮系统的运行状态。因此，变速器齿轮设计模型的建立，可假设变速器每个齿轮均可能发生一个故障为A，而没有发生故障的即为B，这样一来，就可以以向量的数学模式来表示未经处理的齿轮运行状态。在此情况下，通过确立设计变量、建立约束条件，就能计算出汽车机械化变速器的可靠性优化设计函数。由此可以看出，汽车机械式变速器设计模型是通过可靠性设计目标和轻量化设计目标函数，建立一个变速器目标优化设计函数方程组，从而实现多目标的变速器设计。在对多目标优化函数进行求解时，设计人员可将目标优化函数转换为单个目标优化函数[4]。这种目标模型设计方法能够将齿轮监测装置的故障与可靠性进行有效控制，从而大大提高了机械式变速器系统的整体可靠性分析和计算的可靠性分析。在此设计模型的作用效果下，变速器系统应用的可靠性就能得到有效保证。

3.3 可靠性优化设计函数

多目标优化函数的设计需要借助数学软件来进行实现，具体可采用Matlab6.5工具箱中fmincon函数来处理约束条件的非线性优化问题。首先，设计人员要将约束条件和目标函数集中于一个文件，这样一来，就能得出具体的约束条件。其次，编写其它变速器齿轮系统的限制条件，从而实现多目标多元非线性函数的联合建立。最后，还要将多目标优化设计函数与仅基于轻量化的设计模型进行对比，以实现汽车机械式变速器的可行性验证。相关数据证明，在实践可靠性和轻量化的复合优化设计后，变速器的齿轮系统体积明显得到减小，从而使可靠性得到了大幅度的提升。在此情况下，汽车机械式变速器的设计可靠性与存在的故障就能得到准确控制与判断，这就在很大程度上提高了机械式变速器系统的整体可靠性与计算的可信性[5-6]。

4 结束语

综上所述，汽车机械式变速器的可靠性优化设计必须在明确设计应用现状以及设计特点的基础上，来实现设计方法及研究效率。具体可供选择的可靠性优化设计包括：建立变速器设计模型、变速器齿轮设计模型以及可靠性优化设计函数。事实证明，这些优化设计方法的应用均能大幅度提升汽车机械式变速器齿轮系统的传动效率并且也满足了目前市场上汽车设计的轻量化要求，从而满足当前市场环境对变速器应用的可靠性优化设计需求。

[1]陈旻.汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].武汉工业学院学报，2012（03）：22-25.

[2]郑学峰.关于汽车机械式变速器的现代设计方法探究[J].科技创业家，2014（06）：81.

[3]朱艳军.对汽车机械式变速器可靠性优化设计的研究[J].民营科技，2014（07）：43.

[4]魏静.汽车机械式变速器现代设计与探究[J].自动化与仪器仪表，2015（10）：76-78.

[5]褚超美，周进，缪国，奚成捷.汽车变速器壳体多工况自适应性拓扑优化方法研究[J].上海理工大学学报，2016（02）：172-176.

[6]尤建祥.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].汽车实用技术，2016（02）：57-58.

Automotive Mechanical Transmission Reliability Optimization Design

YOU Nian-hua
（Career Technical College，Nanping Fujian 353000，China）

Application for design flaws of the current automotive mechanical transmission，the paper discusses the design of the application of the transmission，and put forward specific design features and design implementation. Its purpose is to provide a theoretical basis for the relevant designer.

automobile mechanical transmission；lightweight；reliability optimization design

U463.212

A

1672-545X（2016）11-0086-02

2016-08-16

游年华（1985-），男，福建建阳人，助教，本科，研究方向：机械设计。