汽车机械式变速器优化设计实现路径初探

王晨

摘要：在交通业迅猛发展的大背景下，汽车的销售量也随之上升，相比于销量，汽车的可靠性与安全性显得更加重要。而在汽车的设计中，最重要的就是变速器。变速器的主要作用就是将发动机的动力传送给汽车，从而带动汽车相关设备，使汽车正常行驶。其中，车速的调整就是通过变速器来实现的，而变速器设计的可靠程度又会直接影响到汽车行驶状况的安全与否。本文通过研究汽车机械式变速器的可靠程度，对汽车机械式变速器优化设计实现路径进行了探究。

关键词：汽车;变速器;优化路径

中图分类号：U463.212                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0007-02

0  引言

汽车作为当前最为重要的出行交通工具之一，在人们的日常生活中发挥着不可或缺的作用。而汽车变速器中，机械式变速器又是应用最早的变速器，同时，也是当前应用成熟度最高的变速器之一。尽管自动变速器以及无级变速器的出现在一定程度上降低了机械式变速器的市场占有率，但同时，AMT的出现又为机械式变速器注入了新的活力，为其进一步发展奠定了基础。变速器系统对汽车整辆车的运行尤为重要，尤其关乎汽车整车的驾车操控性与安全性，因此，变速器的设计是很关键的，因为对于变速器来说，它不仅要同时实现换挡传动的作用，最重要的是要确保汽车行驶过程的安全与可靠性。接下来，我们从优化设计的角度，对汽车机械式变速器进行了分析与研究，并重点对其可靠性进行优化设计，以达到在结构优化了的同时达到可靠性的目标，从而提升汽车变速器的整体运作性能。

1  汽车变速器的发展历程

变速器，顾名思义，就是用来协调发动机转速和车轮行驶速度的装置。由于发动机的输出转速很高，最大功率以及扭矩会在一定的转速区产生，因此，我们为了发挥出发动机的最佳性能，我们就需要有这样一套变速装置来辅助我们控制速度，变速器的作用就体现在此方面上。

变速器的基本设计要求：①保证汽车有必要的动力性与经济性。②设置空挡，用来切断发动机的动力传输。③设置倒挡，使汽车能够倒退行驶。④设置动力输出装置。⑤换挡迅速、省力、方便。⑥工作可靠。变速器不得有跳档、乱档及换挡冲击等现象发生。⑦变速器应有高的工作效率。⑧变速器的工作噪声低。除此之外，变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、维修方便等要求。

自汽车变速器产生以来，内燃机作为其主要的动力装置，发挥着不可或缺的作用，而对于内燃机来说，活塞式的内燃机又成为汽车应用装置的主要类型。活塞式内燃机较其他内燃机来说，质量轻于一般的内燃机，同时体积也比较小，就使操作过程变得简单了很多，但是也弥补不了它转速范围小的缺陷。在这时，变速器就可以发挥它的作用了，将变速器与主减速器同时放入传动系统，从而实现增矩、减速，平衡经济与动力性。变速器的作用主要有两方面，第一个方面，也是其最突出的作用，体现在它以传动比转变为出发点，提高车轮转动的变动范围，来确保汽车能够及时应对各种危险与复杂情景。第二个重要的作用就体现在它对动力的传递实施了中断处理，帮助发动机完成启动过程与怠速。变速器根据不同的分类标准，可以分为许多种，按着操作方法，变速器可以划分为自动和半自动类型;按传动比的不同，变速器可以分为无级式、有级式以及综合式。

2  当前存在的问题分析

现如今，我们大多采用现代化设计方法进行设计，包括汽车的整机设计、零部件系统的设计以及汽车机械式变速器的设计。这种方法的最大优势就在于，精密的数字运算优化，能够为汽车整机实现最佳设计性能，或者实现局部设计的优化，以降低尾气排放，减少汽车燃料。因此，现代优化设计成了人们对汽车变速器研究的首选。但是，不能忽略的是，现代优化设计设计出来的产品，不仅功能得到了优化，它的性能也得了提升，尤其是对汽车变速器而言，它的平稳度、安全性、可靠度成为首要的三个性能指标。采用此方法設计的变速器是否有效实现了三种指标的优化，其结果谁也不知道，只有严密的测试才能够说明一切，实际上，经过现代优化设计方法设计出来的变速器，性能可能并没有与其想象的那样好。对汽车机械式变速器的研究，必须要通过对其可靠性进行分析确认。

3  汽车机械式变速器的可靠性研究

3.1 变速齿轮

变速器的体积会直接或间接地影响优化设计的效果。因此，我们要尽可能缩小变速器的体积，但是同时也要注意，不能影响到车辆的行驶平稳状况，要保证汽车的动力需求的得到满足。除此之外，我们还要对动力结构的精密程度进行研究，尽可能降低生产成本。加强研究程度，可以使机械式变速器的体积发生相应的变化，控制在合理的范围之内。一般情况下，机械式变速器的变速齿轮都是空心设计的，它的结构框直径与变速器的轴颈都比较温和。从实际情况中，我们可以得知，将空心结构当作是新结构进行研究，可以帮助我们在很大程度上简化研究流程，并且帮助我们获取有效准确的研究结论。从研究的整体情况来看，大部分的参数与系统的平稳运行有着千丝万缕的联系，并且对齿轮转动的重合作用表现得也更加明显。

3.2 变速器轴

作为操控应力传输的主要部件之一，变速器轴的结构也是相当复杂的，因此，这就要求我们务必确保变速器的结构强度够强，同时足够稳定。连接花键是为了齿轮运行更加良好。要想其荷载承载表现出良好的状况，就需要拥有异向性和最终性。若花键齿根比较浅，那么，在变速转动时，就能够为变速器提供安全与稳定的保障。其主要要点之一就是保障轴承的可靠程度。

4  汽车机械式变速器优化设计具体操作

4.1 齿轮参数

一般情况下，为了促使汽车的性能得到有效提升，我们会采用现代的方法设计优化汽车相关系统，如零件系统以及机械师变速器。在此基础上，借助数字化的核算，针对汽车不同的结构与性能状况进行处理计算，达到提高汽车舒适度与实用度的目的。机械式变速器与其他的变速器不太相同之处就在于，它采取现代方法之后，為了保证汽车的性能，实现轻量化目的，就需要在优化后的机械式变速器中，确保变速器的稳定性。

齿轮参数选取的一般原则有以下几种：①为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽。②为使质量小些，应该增加模数，同时减少齿宽。③从工艺角度考虑，各档齿轮应该选用一种模数。④从强度角度考虑，各档齿轮应有不同的模数。⑤对于轿车，减少工作噪声较为重要，因此模数应选的小些;对于货车，较少质量比减少噪声更重要，因此模数应选的大些。

4.2 变速器的设计模型

汽车可靠性与轻量化设计既相互对立，又相互依赖，在对汽车进行设计时，有必要权衡其轻量化与可靠性，设计机械式变速器更应权衡两者。机械式变速器通过多个齿轮改变转动实现换挡变速的目的，因此，要想达到汽车轻量化与可靠性目标，本质上就需要我们对齿轮实现轻量化与可靠性的目标。

变位系数的选择原则：①对于高档齿轮，应按保证最大接触强度和抗胶合及耐磨损最有利的原则选择变位系数。②对于抵挡齿轮，为提高小齿轮的齿根强度，应根据危险断面齿厚相等的条件来选择大、小齿轮的变位系数。③总变位系数越小，齿轮齿根抗弯强度越低。但易于吸收冲击振动，噪声要小一些。

要想实现变速器的轻量化，就要计算好变速器齿轮系统的体积大小，将变速器齿轮之和最小作为目标函数，则

由于齿轮系统中，倒挡齿轮的体积由倒挡转动比所决定，因此，在完成前进档位相关的设计之后，由倒挡转动比就可以算出其他的一些参数，由此，齿轮系的体积可以表示为如下：

由各档转动比的关系，式（2）可以化为齿轮相关的一些基本参数的函数：

F（x）=V（3）

由此确定设计的变量，构建一系列约束条件，化简目标函数，就可以达到我们汽车变速器的轻量化目标，实现可靠性设计。

5  基于变速器齿轮可靠性的复合模型分析

事实上，在以上的模型分析里面，我们只是以体积角度出发衡量了变速器本身的轻量化设计，对可靠性的设计提及很少，因此，我们在传统的利用体积的同时，也应该对其可靠性进行分析，建立一些基于可靠性与轻量化二者的复合模型。监测装置作为变速器的一样必需品，存在于内部的齿轮上，其作用是对变速器内部的齿轮进行实时的检测。在这种监测下，只要有一个产生故障，那么整个变速器都会受到影响，发生整机的故障。我们可以让令H1表示内部齿轮故障，H0表示齿轮正常，N个监测点收到K个没有处理的反射齿轮状态的数据向量Xi后，

我们再分别对每个监测点做出一个b的决策向量：

每个齿轮检测装置的侦测正确率大概为：

最终通过一系列的计算与比对，我们得到了变速器齿轮可靠性的函数，即：Q（x）=P

同样的道理，确定好相关的设计变量，构建约束性条件，我们就可以得到可靠性的优化函数。

6  结语

变速器是影响汽车性能的关键零部件，它的可靠与否会对汽车的质量产生直接影响，对变速器的研究至关重要，可靠性作为必需品必须被包括在内。本篇文章在论述关于机械式变速器的同时，也对可靠性的优化设计进行了探究，并列举出了一些计算步骤，为未来变速器的研究提供了良好的基础。但是不可否认，更多具有实际性意义的优化设计，还有待广大的科技技术工作者来发掘，只有大家共同奋斗，才有可能实现我国汽车机械式变速器领域的大的突破与成就。

参考文献：

[1]王彦婷，武欣，张龙列.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].内燃机与配件，2020（14）：5-6.

[2]杨铸.探析汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].时代汽车，2020（12）：81-82.

[3]刘怡然.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].南方农机，2019，50（24）：32.

[4]梁远，靳小霞.汽车机械式变速器的设计优化与研究[J].科教导刊-电子版（中旬），2020（4）：276.

[5]刘普.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].写真地理，2020（27）：202-203.

[6]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（5）：139-141.