汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究

林浩

摘 要：汽车运行中通过内部系统互相协调，基于发动机作用下带动整个汽车前行，变速器对于汽车运行速度控制具有重要作用。文章先分析了汽车机械式变速器，随后介绍了汽车机械式变速器可靠性优化设计，最后介绍了汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计，包括可靠度分配、设计变量选择、可靠性设计，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词：汽车机械式 变速器 可靠性 优化设计

Research on Reliability Optimization Design of Automotive Mechanical Transmission

Lin Hao

Abstract：The transmission plays an important role in the speed control of the automobile through the coordination of the internal system during the operation of the automobile and driving the whole car forward based on the action of the engine. This paper first analyzes the automotive mechanical transmission， then introduces the reliability optimization design of the automotive mechanical transmission， and finally introduces the multi-objective reliability optimization design of the automotive mechanical transmission， including reliability allocation， design variable selection， and reliability design， hoping to provide effective reference for relevant people.

Key words：automotive mechanical， transmission， reliability， optimized design

1 引言

汽車变速器能够针对汽车前进中的运行速度进行灵活控制调节，从而使整个车辆能够维持一种正常运行状态。汽车机械式变速器属于相对传统的调速方法，沿用至今。随着科技发展，自动变速器以及无级变速器的诞生对汽车机械式变速器产生直接影响，为促进汽车机械式变速器持续发展下去，需要不断进行优化创新，提升汽车机械式变速器综合性能。

2 汽车机械式变速器分析

2.1 汽车机械式变速器发展现状

通过调查分析发现机械式变速器依然是当前汽车生产领域中广泛应用的变速器之一。尽管其存在各种缺陷，比如操控复杂、体积规模大以及换挡冲击大等问题。但机械式变速器在实际应用中依然存在各种优势，比如使用寿命长、具有较高的操作可靠性、传动效率高等，同时机械式变速器的生产成本较低，制造工艺成熟。在当下设计工作中，高输出代表转速范围所形成最高动力和转矩。基于该种情况下，相关设计者应该合理应用换挡装置，促进引擎转速和转轮保持相同速度。因为技术限制，传统模式下的传动设计已经无法满足新时期汽车设计要求。尤其是汽车零件设计者将关注重点转移到平顺性以及降低质量当中，设计者对于汽车燃料利用率和汽车重量更为关注。在机械式变速器相关设计中引入可靠性优化设计方法，创建多目标可靠性优化设计模型，能够支持机械式变速器的优化设计。

2.2 汽车机械式变速器设计特征

机械式变速器相关变速传动结构具体如下图所示。传动模块作为整个汽车系统重要部件，机械式变速器是汽车领域中诞生最早的传统方法。因为汽车传动系统主要是齿轮传统模式，因此相关传动比以及传动齿数都是一种固定数值。设计者需要联系具体特征设计合理的机械传动优化方案。设计者应该使机械传动系统维持较高运行功率，例如商业汽车以及货车对应机械传动系统，可靠性设计中，需要保证充足承压能力和荷载承受能力，可以和引擎系统互相匹配，实现牵引目标。设计者需要结合企业的兼容性和经济性要求合理设计机械传动系统。

3 汽车机械式变速器可靠性优化设计

3.1 设计模型构建

相关研究证明汽车零件重量以及可靠度之间属于互相冲突的关系，为此在设计中需要重点关注两者平衡性。针对汽车传动系统实施综合设计中，想要同时满足可靠性和质量要求，需要重点关注传动系统的换挡控制以及变速控制。两种运行参数主要是由传动系统具体容积所决定的，为此初步针对传动装置创建模型中，需要将最小化以及传动系统容积当成轻型设计目的函数。实际来讲，传动装置主要从渐开线圆柱齿轮开始牵引传动，为此相关设计者在针对系统模型进行设计中需要保持不同齿轮分度圆保持一致模量，同时保持圆压角一致。除此之外，倒车螺旋角以及模数应该与一档保持一致。

3.2 齿轮设计模型

机械式变速器相关传动系统设计方式仅适合齿轮容积，但可靠性不足。针对该种状况，生产单位需要针对机械式变速器相关设计模式进行全面监控，满足可靠性指标。针对机械式变速器相关传动装置合理设置监控设备能够实时监控整个传动系统的运行状态。假设传动系统内不同传动装置产生故障为A，没有任何故障的传动装置是B，合理构建传统系统设计模型。利用该种措施可以促进未加工传动系统实际运动过程进一步转化为数学向量模型。基于此创建自动驾驶汽车的可靠性优化设计模式，展开综合分析。

3.3 可靠性优化设计

多目标优化函数相关设计应该融合MATLAB6.5的FMINCON函数，从而对那些带约束非线性优化问题实施准确求解。为此需要促进目标函数和约束全面融合，求解特定约束。其次，促进其他驱动系统对应约束条件全面融合，获得数个多变量多目标非线性方程。最后比较分析基于单独轻量化的优化模型以及多目标优化设计，科学验证整体合理性。相关试验证实，应用轻量化以及卡可靠度措施可以帮助进一步缩减传动系统整体容积，优化系统操作可靠性。结合该种措施能够针对汽车中的机械式变速器故障以及可靠性实施准确判断与合理控制，进一步提升整个计算项目准确性以及可靠性。

4 汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计

4.1 物理模型

机械式变速器作为汽车传动系统内的重要组成元件，通过优化设计能够提升整个汽车运行安全性。因为机械式变速器的传动结构相对复杂，因此单纯实施可靠性优化，为相关传动系统设计提供有效参考。机械式变速器的体积大小和传统系统规模密切相关，为此通过优化设计机械式变速器能够影响传统系统操作性能。本文主要研究了三轴四档的机械式传动系统。对应传动装置普遍是渐开线齿形，拥有相同齿轮模数和螺旋角，首个档参数以及倒挡变速会影响倒车参数，为进一步简化相关问题，无需对道排进行考虑[1]。

4.2 可靠度分配

可靠性分布即保障系统整体可靠运行基础上，针对不同分部以及子系统实施细致划分，在可靠性分配中综合考虑系统装置的重要性、复杂性以及技术水平，明确具体工作环境、工作周期以及尺寸、重量、成本等基础约束，基于设计目标与相关限制因素下，选择可靠度分配技术，实施可靠性分配环节，普遍会选择比例分配、专家评分以及再分配等方法。其中比例分配即基于特定比例下重新分配整个产品失效率。不同功能元件拥有密切的结构联系，因此不同部件也存在失效和功能性联系，为进一步简化整个问题，需要提前假设系统可靠性分配。不同部件拥有相同失效程度，不同元件保持相同失效率，即设备应用寿命和相关分布指数保持一致，以此为基础可以选择合理的可靠度分布形式，将整个机械式变速器的可靠度进一步分解至不同元件当中，按照标准传动设计原则，筛选全变速系统可靠性。机械式变速器中，齿面损伤以及齿根断裂属于齿轮传动基础故障形式，通过融合齿轮弯曲疲劳强度以及接触疲劳强度系统研究三轴机械传动系统，明确机械式变速器故障成因。通过分析发现，机械式变速器对应传动轴断裂主要因为刚性破坏以及轴系疲劳强度所形成的。第一轴以及后两个轴通常不会产生故障问题，为此实施可靠性分配中无需考虑可靠性。花键以及键通常用于轮毂、轴相关零件内，从而实现轴向传递转矩。因为华键以及键破坏主要表现为磨耗压裂，因此需要重点考虑相关疲劳强度以及可靠度[2]。

4.3 设计变量选择

机械式变速器对应轴结构相对复杂，主要包括安装齿轮、退刀槽、过渡段、轴颈等部分组成，针对其实施可靠性设计能够在满足标准强度和刚度要求基础上进一步节约材料，降低轴质量。轴径缩小能够为花键、齿毂以及轴承提供更为广泛的设计空间，同时为优化轴综合性能奠定良好基础。为进一步降低成本支出，在满足汽车运行动力和运行可靠性基础上，应该进一步降低传输装置的材质、尺寸。为此将传动系统最低容积当成基础设计目标，因为汽车传动系统对应体积主要通过传动装置所决定的，为此应该确定传动系统最小传动比目标。此传动系统属于中空结构，传动轴直径决定了孔径大小。针对齿轮组实施可靠性优化中，可以把齿轮组当成实心齿轮，因为相关可靠性优化和初始参数对比存在某种关联性，因此可以将其当成实心齿轮实施优化设计，不会过度影响优化效果。因为机械式变速器相关设计工作相对复杂，涉及多样的设计参数[3]。

4.4 可靠性设计

动力传送轴相关静强度实施可靠性设计中，需要系统分析传送轴的作用力，开展力分析工作，为此在研究中假设齿轮内对应力作用点分布在啮合齿轮圆切点中，对应运行转矩是发动机系统中的最高转矩，保持固定载荷。第二个轮子中各个轮子都是朝左转动。对于机械式变速器中的危险部位，相关轴向应力以及分布强度和标准规律相符。传统轴对应静强度的可靠度设计流程如下，结合轴结构描绘简图，科学分析轴应力，直接得到力矩和力数值，绘制转矩曲线以及力矩，根据第三强度以及第四强度原理初步确定危险区内的轴应力以及强度排列。结合机械式变速器对应传动结构内不同零件实际运行中的失效方式和概率参数针对整个系统结构实施可靠度优化分配。将最大重合度以及最小化体积当成基础目标函数，联系汽车的齿轮可靠度、动力性能要求、齿轮边界条件、齿轮传动参数作为基础约束，创建可靠性优化模型实施可靠性设计。针对机械式变速器对应轴开展受力分析，创建轴刚度可靠性模型，支持可靠性分析设计。对于轴承的选择方面，机械式变速器轴承是整个变速器轴的基础支撑部件，也是重要的运动件，在整个变速器系统内发挥着重要作用，也是一种易损件。机械式变速器对应轴承主要以滚动轴承为主，包括滚针轴承、向心球轴承以及短圆柱向心轴承。大部分条件下对于首个轴的前轴承普遍是设置向心球轴承，后轴承属于向心球轴承外座圈内设置有止动槽。第二轴前端普遍是选择滚针轴承以及短圆柱滚子轴承，后端设置单列向心球轴承，额外设置止动槽。固定式中间轴则是以滚针轴承为主。在轴承选择中，联系机械式变速器整体结构分布，参考相同类型汽车的轴承设計，根据行业标准选择轴承，随后准确演算设备应用寿命。针对机械式变速器实施滚动轴承的持久性评价中，可以将轴承体和滚道表层间的接触疲劳当成基础依据，承受动荷载属于其基础特征[4]。

4.5 优化设计实例

已知某个三轴四档机械式变速器对应车速最高是每小时140千米，基于MATLAB平台相关优化模型对编程算法流程进行合理编制，具体如下图2所示：

结合单目标优化解析容积参数最优值是562850立方米，综合重合度为11.2534，一致性达到10.0446。经联合优化设计后，对应容积为562850立方米，整体交错率是10.3191，提升了2.73%。对应机械式变速器的原有容积设计数值是619850米，整体重合率是9.7127。相关结果证明，应用多目标为基础的可靠度优化设计，使整个系统一致性以及结构尺寸相继降低6.24%以及9.2%，和最终设计结果实施全面对比分析，证明基于多目标的优化设计斜齿轮结构综合性能超出单一目标。

基于此初步编制了多目标可靠性优化设计软件，调试工作首要目标是检验相关程序是否可以基于不同输入参数下实现最优函数。深入分析最优问题，得到最优问题对不同限制条件灵敏度。调试程序如下，改变初始值，不改变设计变量、约束条件以及目标函数。比较分析各种初始值对于最终优化成果的影响。发现差异后解析具体原因，及时调整。在保持目标函数以及基础设计参数一致基础上，删除其中特定约束条件，实施再优化，同时和具体约束状况开展综合对比分析。认真观察不同参数变动程度，明确优化问题对于约束因素的灵敏度和敏感性。反复实施上述操作，逐一调试各个限制，获得所有限制灵敏度，基于此灵活调整优化设计方案，最终获得最高影响，分别是一组齿轮弯曲疲劳强度，第二组是一组。为此下一阶段应该对整个结构实施合理调整。首个所需解决问题是优化系统抗弯疲劳性能，其次是改善相关接触疲劳强度。该类问题处理可以分为两种方式，一种是将大直径变化齿轮当成基础传动，另一种是针对新型齿轮实施热处理和材料优化，持续处理某些敏感性较高的影响因素，对现有设计产品质量进行不断创新改进。随后在三维可视化模型内引入所有计算得到的齿形参数[5]，具体如下图所示：

5 結语

综上所述，汽车中的机械式变速器实际操作运行会直接影响整个汽车运行的稳定性和可靠性，为此针对机械式变速器进行综合设计中，想要进一步优化设计，提升机械式变速器的市场竞争力，需要对现有设计方案进行持续优化，除了需要注重高质量、高标准和高要求之外，还需要合理利用先进的科技手段持续创新，提升机械式变速器综合实力。。汽车作为某种代步出行工具，应该重点提高整体安全性。

参考文献：

[1]秦勤.汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].电子技术与软件工程，2022（12）：106-109.

[2]赵杰.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计分析[J].新型工业化，2022，12（05）：94-97.

[3]梁居正.汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性设计[J].内燃机与配件，2021（15）：13-14.

[4]解云.车辆机械式变速器多目标可靠性优化设计[J].九江学院学报（自然科学版），2020，35（02）：37-39.

[5]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，2020，36（02）：138-140.