汽車(chē)機(jī)械式變速器的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

游年華

（閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平353000）

汽車(chē)機(jī)械式變速器的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

游年華

（閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建南平353000）

針對(duì)目前汽車(chē)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)應(yīng)用缺陷，分析了變速器的設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出了具體的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。其目的是為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供一些理論依據(jù)。

汽車(chē)機(jī)械式變速器；輕量化；可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，汽車(chē)使用不斷普及，人們對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)使用的安全穩(wěn)定性需求越來(lái)越高，對(duì)汽車(chē)駕駛過(guò)程中的操控效果及感受也隨之提高，其中汽車(chē)機(jī)械式變速器是用來(lái)保證車(chē)輛駕駛操控效果的重要設(shè)計(jì)部件之一。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)人員卻沒(méi)有將其重視起來(lái)，這就在一定程度上阻礙了我國(guó)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的步伐。基于此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)從汽車(chē)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法出發(fā)，來(lái)實(shí)現(xiàn)變速器的可靠性作用效果。

1 汽車(chē)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車(chē)機(jī)械式變速器已經(jīng)成為滿(mǎn)足車(chē)輛駕駛?cè)藛T需求的重要變速方式，是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛駕駛操控性、安全性的重要零部件，這就意味著設(shè)計(jì)人員必須要發(fā)揮出其換擋傳動(dòng)的作用效果又要滿(mǎn)足駕駛者的操控感受及變速器的使用壽命，這是保證汽車(chē)行駛安全性和可靠性的關(guān)鍵。

然而，在目前的設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，由于汽車(chē)機(jī)械式發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速較高，這就使得最大扭矩和最大功率問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速區(qū)。在此情況下，設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)一套變速裝置，來(lái)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車(chē)輪行駛速度?，F(xiàn)階段，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)變速器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)難以滿(mǎn)足汽車(chē)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)要求。具體來(lái)說(shuō)，汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)人員均將精力集中于實(shí)現(xiàn)整備質(zhì)量的降低和平穩(wěn)性，這就使得設(shè)計(jì)人員更為關(guān)注汽車(chē)使用的輕量化和節(jié)油效果。具體就是通過(guò)采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)精密的數(shù)字運(yùn)算優(yōu)化設(shè)計(jì)，其能夠獲得最佳的設(shè)計(jì)功能，或者實(shí)現(xiàn)局部零部件及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車(chē)的輕量化，從而促進(jìn)節(jié)油和低尾氣排放[1]。

2 汽車(chē)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

汽車(chē)變速器是為汽車(chē)運(yùn)行提供可變速度的重要零部件之一，其中機(jī)械式變速器是目前市場(chǎng)上各種汽車(chē)變速器中較為古老的一種調(diào)速設(shè)計(jì)。由于汽車(chē)機(jī)械式變速器是通過(guò)齒輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的，其齒數(shù)與各檔的變速比要通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行固定。因而，設(shè)計(jì)人員要在明確汽車(chē)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，找出其可靠性?xún)?yōu)化的設(shè)計(jì)方法。

首先，設(shè)計(jì)人員要保證機(jī)械式變速器的作用效果具有極強(qiáng)的傳動(dòng)能力。例如，卡車(chē)和商務(wù)的機(jī)械式變速器，可靠性設(shè)計(jì)不僅要使其能夠承擔(dān)高壓和自重，還要與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行配合以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的牽引力[2]。

其次，設(shè)計(jì)人員還要能夠讓汽車(chē)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)適用性以及協(xié)調(diào)性的原則。以駕校用車(chē)過(guò)程為例，該類(lèi)車(chē)輛均為機(jī)械式變速器，這是因?yàn)槭謩?dòng)換擋不僅能夠鞏固駕駛?cè)藛T的基本用車(chē)知識(shí)，還能實(shí)現(xiàn)練習(xí)的安全性和控制便利性。

最后，對(duì)于家庭汽車(chē)的使用及設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，選擇機(jī)械式變速器車(chē)輛的性?xún)r(jià)比最為合算。目前的市場(chǎng)環(huán)境中，機(jī)械式變速器在各大汽車(chē)品牌的車(chē)型中均有使用。相關(guān)研究表明，這類(lèi)汽車(chē)的開(kāi)車(chē)強(qiáng)度較低、誤操作率低、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且安全穩(wěn)定性較高，因此，被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的交通運(yùn)輸環(huán)境。

3 汽車(chē)機(jī)械式變速器的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建立變速器設(shè)計(jì)模型

相關(guān)研究表明，汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)的輕量化與可靠性有一定的矛盾關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)人員在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注重這兩者之間的平衡。對(duì)于汽車(chē)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)說(shuō)，其輕量化與可靠性的平衡主要體現(xiàn)在齒輪的傳動(dòng)變化與換擋變速控制。而這兩個(gè)變化因素又是由變速器齒輪系統(tǒng)的體積來(lái)決定的，因而，在建立變速器設(shè)計(jì)模型時(shí)，要以變速器齒輪體積之和最小作為輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)[3]。具體來(lái)說(shuō)，由于變速器齒輪系統(tǒng)是通過(guò)漸開(kāi)線圓柱齒輪來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)的，模型設(shè)計(jì)人員要保證相互嚙合的兩齒輪分度圓模數(shù)相等、分度圓壓力角相等。

此外，還要使倒擋齒輪螺旋角和模數(shù)與一檔齒輪取值相同。由此可見(jiàn)，變速器倒擋齒輪的體積是通過(guò)倒擋傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)汽車(chē)機(jī)械式變速器前進(jìn)檔齒輪設(shè)計(jì)完成后，就可根據(jù)倒擋傳動(dòng)比計(jì)算出實(shí)現(xiàn)倒擋齒輪傳動(dòng)的其他作用參數(shù)。具體就是先要確立設(shè)計(jì)變量、建立約束條件，來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。這樣一來(lái)，就可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)機(jī)械式變速器系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)應(yīng)用的可靠性。

3.2 變速器齒輪設(shè)計(jì)模型

變速器設(shè)計(jì)模型的應(yīng)用僅僅從齒輪體積方面實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，其對(duì)于可靠性?xún)?nèi)容的涉及十分有限。因此，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)通過(guò)監(jiān)測(cè)變速器齒輪的設(shè)計(jì)模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性目標(biāo)的分析。具體來(lái)說(shuō)，由于變速器齒輪均設(shè)置有監(jiān)測(cè)裝置，這就使得相關(guān)工作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)齒輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，變速器齒輪設(shè)計(jì)模型的建立，可假設(shè)變速器每個(gè)齒輪均可能發(fā)生一個(gè)故障為A，而沒(méi)有發(fā)生故障的即為B，這樣一來(lái)，就可以以向量的數(shù)學(xué)模式來(lái)表示未經(jīng)處理的齒輪運(yùn)行狀態(tài)。在此情況下，通過(guò)確立設(shè)計(jì)變量、建立約束條件，就能計(jì)算出汽車(chē)機(jī)械化變速器的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)。由此可以看出，汽車(chē)機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)模型是通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)和輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，建立一個(gè)變速器目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)方程組，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的變速器設(shè)計(jì)。在對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解時(shí)，設(shè)計(jì)人員可將目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)換為單個(gè)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)[4]。這種目標(biāo)模型設(shè)計(jì)方法能夠?qū)X輪監(jiān)測(cè)裝置的故障與可靠性進(jìn)行有效控制，從而大大提高了機(jī)械式變速器系統(tǒng)的整體可靠性分析和計(jì)算的可靠性分析。在此設(shè)計(jì)模型的作用效果下，變速器系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性就能得到有效保證。

3.3 可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)

多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的設(shè)計(jì)需要借助數(shù)學(xué)軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體可采用Matlab6.5工具箱中fmincon函數(shù)來(lái)處理約束條件的非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題。首先，設(shè)計(jì)人員要將約束條件和目標(biāo)函數(shù)集中于一個(gè)文件，這樣一來(lái)，就能得出具體的約束條件。其次，編寫(xiě)其它變速器齒輪系統(tǒng)的限制條件，從而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多元非線性函數(shù)的聯(lián)合建立。最后，還要將多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)與僅基于輕量化的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)機(jī)械式變速器的可行性驗(yàn)證。相關(guān)數(shù)據(jù)證明，在實(shí)踐可靠性和輕量化的復(fù)合優(yōu)化設(shè)計(jì)后，變速器的齒輪系統(tǒng)體積明顯得到減小，從而使可靠性得到了大幅度的提升。在此情況下，汽車(chē)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)可靠性與存在的故障就能得到準(zhǔn)確控制與判斷，這就在很大程度上提高了機(jī)械式變速器系統(tǒng)的整體可靠性與計(jì)算的可信性[5-6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，汽車(chē)機(jī)械式變速器的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)必須在明確設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方法及研究效率。具體可供選擇的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)包括：建立變速器設(shè)計(jì)模型、變速器齒輪設(shè)計(jì)模型以及可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)函數(shù)。事實(shí)證明，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用均能大幅度提升汽車(chē)機(jī)械式變速器齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)效率并且也滿(mǎn)足了目前市場(chǎng)上汽車(chē)設(shè)計(jì)的輕量化要求，從而滿(mǎn)足當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境對(duì)變速器應(yīng)用的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)需求。

[1]陳旻.汽車(chē)機(jī)械式變速器的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（03）：22-25.

[2]鄭學(xué)峰.關(guān)于汽車(chē)機(jī)械式變速器的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法探究[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014（06）：81.

[3]朱艷軍.對(duì)汽車(chē)機(jī)械式變速器可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的研究[J].民營(yíng)科技，2014（07）：43.

[4]魏靜.汽車(chē)機(jī)械式變速器現(xiàn)代設(shè)計(jì)與探究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（10）：76-78.

[5]褚超美，周進(jìn)，繆國(guó)，奚成捷.汽車(chē)變速器殼體多工況自適應(yīng)性拓?fù)鋬?yōu)化方法研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（02）：172-176.

[6]尤建祥.汽車(chē)機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，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

游年華（1985-），男，福建建陽(yáng)人，助教，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。