尤建祥

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

?

汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

尤建祥

（盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000）

摘 要：隨著交通行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)，我國(guó)的汽車行業(yè)也隨之發(fā)展迅猛，對(duì)于汽車的設(shè)計(jì)制造也不斷優(yōu)化。汽車的變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)汽車的操控性、動(dòng)力性、以及傳動(dòng)的平穩(wěn)性和效率都有著直接的影響。由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及汽車的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用，汽車使用者們對(duì)汽車變速器的設(shè)計(jì)要求也日趨變高。為了更快的提高我國(guó)汽車的穩(wěn)定性和安全性，本文通過(guò)對(duì)汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)研究，從而提出一些相關(guān)的優(yōu)化措施，進(jìn)一步更好的滿足用戶對(duì)汽車的需求。

關(guān)鍵詞：汽車機(jī)械式變速器；變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；可靠性設(shè)計(jì)；MATLAB

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.020

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-57-03

前言

汽車作為我國(guó)目前最重要的交通工具之一，給人們的生活、工作都帶來(lái)了很大的便利。自從汽車采用了內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的裝置，汽車的變速器就成為了汽車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最重要的組成部分之一。而汽車變速器的使用不僅能夠擴(kuò)大車輪距離和轉(zhuǎn)速的范圍，改變汽車的傳動(dòng)比，還能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最良好的工礦范圍以內(nèi)進(jìn)行工作，這對(duì)于車輛整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和實(shí)用性都有著不可缺少的重要作用。汽車的機(jī)械式變速器，具有成本低、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，并且也得到大范圍的使用，但是機(jī)械式變速器也存在一定的劣勢(shì)，例如：體積大以及換檔沖擊大等。對(duì)于怎樣改善機(jī)械式變速器結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)使用性能，提高傳動(dòng)可靠性，是車輛的技術(shù)人員和設(shè)計(jì)人員共同關(guān)注的問(wèn)題。

1、汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

變速器對(duì)于車輛使用的安全性和操控性都有著直接的影響，針對(duì)汽車變速器的可靠性設(shè)計(jì)，不單單是要實(shí)現(xiàn)換檔傳動(dòng)的作用，更重要的是應(yīng)該保證在車輛行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性。對(duì)于車輛的機(jī)械式變速器，通過(guò)對(duì)變速器的材料、零部件的尺寸以及載荷等進(jìn)行分析和多次試驗(yàn)，確定其優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。

1.1 汽車變速器可靠度的分配

通過(guò)對(duì)汽車變速器的可靠度進(jìn)行分配，歐諾個(gè)來(lái)確保汽車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中機(jī)械式變速器的可靠性能，而對(duì)于分配工作，往往需要在費(fèi)用情況、技術(shù)水平、復(fù)雜程度以及工作環(huán)境等因素的詳細(xì)考慮下進(jìn)行。第一步，先假設(shè)變速器的零部件故障時(shí)相對(duì)獨(dú)立的，并且它的壽命服從于指數(shù)的分布；接下來(lái)，需要把近些式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠度分別分配給花鍵、軸承、變速器軸和變速齒輪。其中花鍵可靠度分解為疲勞強(qiáng)度，變速器軸可靠度分解為疲勞剛度和軸疲勞剛度，變速齒輪可靠度分解為齒輪接觸疲勞強(qiáng)度和齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度。

1.2 變速器齒輪系多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

（1）建立目標(biāo)函數(shù)

變速器齒輪系多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型多數(shù)時(shí)候都是以齒輪傳動(dòng)復(fù)合度最大化和變速體積最大化為目標(biāo)函數(shù)，而這個(gè)目標(biāo)函數(shù)也確保是變速器能夠滿足汽車動(dòng)力的穩(wěn)定性和安全性的前提之下所進(jìn)行的。對(duì)于產(chǎn)品的制造成本來(lái)說(shuō)，變速器的體積越小就越能節(jié)省原材料。如果齒輪傳動(dòng)的重合度越大，噪音就會(huì)越小，傳動(dòng)也就會(huì)越平穩(wěn)，這樣有利于降低傳動(dòng)中的動(dòng)載荷量。

（2）選取設(shè)計(jì)變量

其實(shí)汽車機(jī)械式變速器齒輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)到多個(gè)參數(shù)，但是本文只是選取了其中五個(gè)參數(shù)，以此來(lái)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量，即齒合齒輪模數(shù)、常齒合齒輪模數(shù)、格擋變速比、齒寬以及螺旋角。

（3）約束條件的確認(rèn)

在這個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，其確定的約束條件分別是：變速器各檔傳動(dòng)比比值約束；變速齒輪可靠性約束；邊界約束；變速器中心距約束；變速器最大傳動(dòng)比約束和中間軸軸向力平衡約束。

1.3 變速器軸的可靠性設(shè)計(jì)

汽車的機(jī)械室內(nèi)變速器軸主要包括軸頸、軸肩、齒輪段和退刀槽過(guò)渡段。變速器的軸結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，需要先滿足軸強(qiáng)度的可靠性，才能進(jìn)一步對(duì)其可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有分寸的節(jié)省用于設(shè)計(jì)的制造材料。通過(guò)盡量減少軸徑的方法，從而更大程度的提高花鍵和軸承的工作性能。而且在汽車變速器的軸系統(tǒng)中，基本上最為復(fù)雜的都是第二軸的結(jié)構(gòu)，其工況也是最為惡劣的。

（1）動(dòng)力輸出軸靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)

由于汽車變速器的軸結(jié)構(gòu)相對(duì)有些復(fù)雜，所以我們應(yīng)該用截面軸逐漸的取代簡(jiǎn)化階梯軸。因?yàn)檩S在應(yīng)力分布和危險(xiǎn)截面分布基本上呈現(xiàn)正態(tài)分布，所以說(shuō)，對(duì)于動(dòng)力輸出軸靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)首先應(yīng)該畫出軸的結(jié)構(gòu)意簡(jiǎn)圖，然后就對(duì)軸的各部位進(jìn)行受力分析，得出向相應(yīng)的受力和力距，再繪出轉(zhuǎn)矩和彎距圖，確保軸在危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度分布情況，根據(jù)規(guī)定好的可靠度計(jì)算出軸徑。

（2）動(dòng)力輸出軸剛度的可靠性設(shè)計(jì)

由撓角、軸扭轉(zhuǎn)角和軸截面偏轉(zhuǎn)角組成了變速器汽車變速器動(dòng)力輸出軸剛度可靠性設(shè)計(jì)。所以，軸剛度的可靠度分配是：Rc剛=Rc扭*Rc撓*Rc偏。并且還可以假設(shè)，三者都是服從于正態(tài)分布的隨機(jī)變量。由于變速器的每個(gè)檔位的受力大小和位置都有所不同，所以應(yīng)該分別進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，但是其計(jì)算方法基本上都是一致的。

2、基于MATLAB多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）MATLAB工具箱

MATLAB是于1984年由Math Works公司所推出的一套科學(xué)計(jì)算軟件，分為總包和若干個(gè)工具箱。而該軟件不僅用戶界面良好，并且還具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力。MATLAB本身具有強(qiáng)大的優(yōu)化工具箱，它可以準(zhǔn)確有效的對(duì)線性、非線性以及半無(wú)限等問(wèn)題進(jìn)行求解。在對(duì)汽車機(jī)械式變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該在此之前先對(duì)單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到體積和重合度的最優(yōu)值之后，最后在進(jìn)行聯(lián)合的優(yōu)化計(jì)算。這樣得出的實(shí)踐結(jié)果證明最高效做科學(xué)的設(shè)計(jì)方法無(wú)疑是斜齒輪多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）齒輪參數(shù)圓整

由于斜齒輪的齒數(shù)必須是整數(shù)，這就使得選取的齒輪法向模數(shù)就必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)又因?yàn)橐粚?duì)齒合的齒輪齒數(shù)不能夠含有公因數(shù)，并且大齒輪齒數(shù)又不能是小齒輪齒數(shù)的整數(shù)倍，所以就需要展開齒輪參數(shù)圓整的優(yōu)化設(shè)計(jì)處理。而齒輪接受強(qiáng)度不夠和齒輪彎曲強(qiáng)度不足的問(wèn)題，可以通過(guò)齒輪變位來(lái)進(jìn)行處理，這樣可以有效的避免齒輪參數(shù)圓整引起的一系列問(wèn)題。

（3）對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化

本文對(duì)所編寫的多目標(biāo)可優(yōu)化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了調(diào)試，而調(diào)試的主要目的是：用于驗(yàn)證本程序是否能夠在各種輸入情況下完成優(yōu)化功能；對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而得到優(yōu)化問(wèn)題對(duì)于各個(gè)約束條件的敏感程度。

對(duì)于程序進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程為：通常對(duì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件不做任何改變，單單只是改變它的初始值，下一步進(jìn)行其對(duì)比分析，

在不同初始值下的優(yōu)化結(jié)果是否是相同的。另外，在不改變變量和目標(biāo)函數(shù)的同時(shí)，而去掉某一個(gè)約束條件，然后進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比這個(gè)約束條件是否存在的優(yōu)化結(jié)果，以此來(lái)明確優(yōu)化分析對(duì)于約束條件的敏感程度。通過(guò)對(duì)程序調(diào)試進(jìn)行優(yōu)化，使我們不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于其優(yōu)化結(jié)果的影響最大的是一檔齒輪小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。

3、總結(jié)

跟隨現(xiàn)代交通科技的快速發(fā)展，人們對(duì)于汽車產(chǎn)品的性能要求也越來(lái)越高，而以此同時(shí)也是為汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了新的理論和新的方法。汽車的變速器作為汽車最重要的零部件之一，對(duì)于汽車整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能和用戶使用的安全性能都有著決定性作用。需要對(duì)汽車機(jī)械式變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行深入的研究，通過(guò)利用MATLAB優(yōu)化工具進(jìn)行結(jié)果優(yōu)化，構(gòu)造與其相關(guān)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步提高汽車機(jī)械式變速器可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用水平，有效的促進(jìn)我國(guó)汽車市場(chǎng)的平穩(wěn)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃澤林.機(jī)械式變速器換擋性能評(píng)價(jià)方法研究[D].武漢理工大學(xué)2011.

[2] 倪小波.汽車機(jī)械式變速器性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[D]. 武漢理工大學(xué).2013.

[3] 郭明.機(jī)械式變速器仿真優(yōu)化及自動(dòng)建模程序開發(fā)[D]. 武漢理工大學(xué).2013.

[4] 靖陽(yáng).小型汽車機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)與仿真分析[D]. 武漢理工大學(xué).2014.

[5] 冀勇彪.客車機(jī)械式變速器研究與設(shè)計(jì)[D]. 吉林大學(xué).2011.

[6] 錢遠(yuǎn)道.汽車機(jī)械式變速器性能研究與試驗(yàn)分析[D]武漢理工大學(xué).2013.

[7] 唐云.汽車變速器齒輪傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)及其振動(dòng)分析[D]. 合肥工業(yè)大學(xué). 2015.

Mechanical transmission reliability optimization design variable speed drive mechanism

You Jianxiang
（Panjin vocational and technical college, Liaoning Panjin 124000）

Abstract:with the development of the transportation sector, China's auto industry has been developing rapidly, the car's design and manufacturing has been optimized. Automobile transmission is an important part of automobile transmission system, it for vehicle handling, performance, and has a direct impact on the stability and efficiency of the transmission. Due to the rapid development of the automotive industry and automotive design, development and application of car users to the design requirements of auto transmission is high. Faster in order to increase the stability and safety of cars in our country, this article through to automobile research of reliability design of mechanical transmission gear transmission mechanism, so as to put forward some relevant optimized measures, further better meet user demand for cars.

Keywords:mechanical transmission; Variable speed drive mechanism; Reliability design; MATLAB

作者簡(jiǎn)介：尤建祥，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，就讀于盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院。專業(yè)：車輛工程。

中圖分類號(hào)：U463.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-57-03