汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计

【摘 要】随着汽车工业的高速发展和车辆技术的进步,汽车在人们生活中得到普遍使用.汽车变速传动机构（俗称变速器）是影响汽车性能的主要因素之一,因此人们对汽车变速传动机构设计的要求也越来越高.本研究将浅析下汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计.

【关 键 词】机械变速；可靠性；变速器

0前言

从汽车的大批量生产及汽车工业的大发展以来,汽车已为世界经济的快速发展提供了有力支持,为人们出行提供了便捷的交通工具.汽车变速传动机构是汽车的重要组成部分,对汽车的牵引力大小和车速变化有着至关重要的影响.复杂的使用条件和道路工况要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化,这就需要我们进一步优化设计变速传动机构.只有这样才能满足客户更高的使用要求,进一步提高汽车的使用性能.

1浅析汽车机械变速的相关内容

1.1进行汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计的原因

近年来,随着科学技术的发展,汽车工业也得到了空前的发展,私家汽车逐渐走进了中国的千家万户.正是由于汽车的普遍使用,人们对汽车性能的要求越来越高.众所周知,汽车的动力装置是以内燃机为主,而变速器是汽车传动系统不可或缺的一部分,对汽车性能有着至关重要的影响.汽车变速器主要有以下作用：经过科学地计算与理论分析,来适当地改变汽车的传动比,使发动机处于最好的工作范围内；实现减速,让动力系统停止工作；在发动机旋转方向不变的基础上,实现汽车的倒退行驶功能.合理地优化设计变速器可以降低汽车耗油量,同时增加汽车驾驶平稳性和可操控性,显著提高汽车性能.目前汽车机械变速传动机构被广泛用于汽车中,这种变速器具有传动效率高、使用期限长、设计工艺较为成熟等优点,但同时具有切换档位不稳定、变速器体积大、可靠性不高等自身缺陷,因此对汽车机械变速传动机构可靠性进行优化设计成为了相关研究领域的热点.

1.2分析汽车变速器发展现状

自从人们发明了汽车以来,汽车已经经过了多次改革和创新,是人们出行最为便利的交通工具,成为人们现代生活的一部分.现代汽车的动力装置内燃机具有体积小、质量轻、工作可靠和使用方便等特点,但在换挡时存在转速变化范围小的缺点,影响了汽车的操作性、舒适性等性能,所以人们引入了变速器,这个装置可以实现转速变化范围增大的目标.目前被广泛采用的变速器有以下几种：有级式变速器、无级式变速器、综合式变速器等.有极变速器以机械式结构为主,具备成本低、耐用等优点,是目前使用最为广泛的变速器；无极变速器虽然具有经济、高动力等优点,其发展较为成熟,但同时具备着成本高、不耐用等缺点；综合式变速器是指由液力变矩器和机械式有级变速器组成的液力机械式变速器,目前正在推广中.

2汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计数学模型

2.1根据科学、合理地原则,进行变速传动机构可靠度的分配

在进行汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计时,首先需要对可靠度进行有效地分配.进行可靠度分配需要考虑很多的制约因素,如技术水平、经济成本、工作环境等.首先,我们假设机械变速传动机构零部件之间的故障是互不干涉的,而零部件的寿命都是根据指数分布的；然后将可靠度分配给变速传动机构所有的零部件,如变速齿轮、变速变速器轴和轴承等.变速传动机构的易损零件不需要考虑可靠度分配,其对变速器整体可靠性影响较小,只需要定期地更换即可.变速器齿轮的可靠度分为齿轮弯曲疲劳强度和齿轮接触疲劳强度,变速器轴的可靠度分为轴疲劳强度和刚度,在进行可靠度分配时,需根据串联系统可靠度分配的原则进行分配,变速器的可靠度就是所有零部件可靠度的乘积.

2.2设计数学模型是优化设计变速传动结构可靠性的基础

在优化设计的过程中,需要依靠科学的数学模型.因此,建立数学的模型是优化设计的基础.建立数学模型需要科学地选择设计变量参数,在满足所有制约条件的基础上,让目标函数达到最大优化值.现在我们来分析建立数学模型的方法.首先需要建立目标函数.选择合适的性能指标,一般都选取齿轮传动重合度与变速器的体积.齿轮传动的重合度越大,那么汽车动力系统产生的噪声越小,传动机构将越平稳,可以有效地降低传动过程的动荷载,提高汽车的舒适性和可操纵性.而当变速器体积越小,不仅仅可以节省原材料,降低成本,而且可以优化车载空间.选择这两个性能指标,将其进行最大度优化,对提高变速器可靠性及汽车性能有着显著影响.其次是选取合适的设计变量.设计变量往往与很多设计参数有着密切的关系,因此需要选择合适的设计变量.最后我们来分析下设计过程中我们需要确定相关的约束条件：第一,变速齿轮可靠性约束,变速齿轮的可靠度主要包括齿根弯曲疲劳强度与齿面结合疲劳强度,其都需要进行可靠性约束；第二,变速器最大传动比约束,这个参数主要受汽车最大爬坡度和路面附着力的约束；第三,变速器各档传动比比值约束,这个条件直接影响着汽车性能,因此需要合理地分配档速比,这样才能最大度地发挥发动机的性能；第四,变速器中心距约束,改变这个条件有效地控制变速器的质量与体积,使得变速器的体积变得更为小巧；第五,中间轴轴向力平衡约束,减少变速器箱体的受力情况,能够延长变速箱的使用寿命；第六,边界约束条件,就是像模数、轮齿根切、螺旋角等约束.

2.3小议变速器轴的可靠性设计

现在来分析下变速器轴的可靠性设计.变速器轴主要是由轴肩、轴颈、退刀槽过渡段和安装齿轮段等组成,结构较为复杂.因此在进行可靠性设计时,必须先使变速器传动轴的强度达到预先的可靠性,然后再考虑如何节省材料.首先是对变速器轴静强度进行可靠性设计,由于机械变速器结构较为复杂,需要根据变速器轴的强度与应力分布来设计出可靠性设计流程.设计过程中需要画出动力输出轴简单示意图,并进行受力及其他科学理论分析,根据可靠度来计算出变速器轴轴径.其次在对变速器轴可靠性设计时对动力输出轴进行刚度可靠性设计,本文就不详细介绍了.

3应用先进计算机软件,进一步优化其他参数

除了通过理论与实验的方法来进行可靠度优化设计,还需要应用先进的计算机软件进行分析,来进一步优化其他设计参数.先进的计算机软件可以优化很多相关参数数值,求解线性、非线性等最小化或最大化的数值.对机械传动变速结构进行优化设计时,首先需要进行单目标的优化计算,得到齿轮重合度的最优值与体积的最优值,然后再建立方程来进行优化计算.通过软件的优化计算,可以使齿轮参数圆整.由于齿轮齿数必须为整数,所以优化变速器结构设计时必须对齿轮参数进行圆整处理,否则会带来齿轮接触强度不强、弯曲强度不够等问题.最后,就是运用计算机软件反复进行模拟调试,查找变速器各种约束条件之间兼容的问题,进一步优化设计,减少开发中存在的问题.并能降低开发成本缩短开发周期.运用计算机软件进行模拟调试主要包括以下步骤：在调试过程中不改变目标函数和设计变量,通过不断改变初始值对比分析优化结果的差异；通过减去其中一个约束条件的方式,重新进行优化设计,查找哪一种约束对可靠度影响最大,最终得到最佳的优化效果.

4结语

总而言之,汽车现在是我国人们日常生活中的主要交通工具,而变速器的性能影响着汽车的平稳性等,随着人们对汽车性能的要求不断地提高,那么应必须进行汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计,从而来满足人们的需求,也是促进汽车行业发展的必经之路.

【参考文献】

[1]陈文才.汽车变速器可靠性设计研究[J].煤炭技术,2010（0 9）.

[2]蒋春明,阮米庆.汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计[J].汽车工程,2007（12）.

[3]胡朝峰,过学迅,汪斌.汽车变速器技术的发展与展望[J].汽车研究与开发,2008（05）.

[责任编辑：汤静]