汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究

闫福刚

摘 要：汽车在使用期间，借助自身内部系统的相互协调，在发动机动力的作用下将汽车带动起来。变速器在控制汽车速度中起到十分重要的作用。车辆车速的控制是利用变速器的协调作用，改变内部结构配置，对车速进行调整。设计车辆变速器时，应根据汽车动力行需求，确保汽车内部零件强度与刚度的可靠性满足车辆变速要求。现通过建立数学模型，优化设计汽车机械式变速器的可靠性。

关键词：机械式变速器；汽车；可靠性

汽车变速器的作用是为汽车提供可变化的速度，以保证车辆正常运行。汽车机械式变速器作为一种相对古老的调速模式，一直被沿用至今[ 1 ]。在应用过程中对技术不断改进，变成了一种成熟的变速器使用元件。无极变速器和自动变速器出现后，给机械式变速器造成一定冲击，影响了在市场中的使用份额。AMT出现后，机械式变速器迎来了全新的机遇，具备良好的发展前景。

一、提出问题

从目前来看，机械式变速器仍被广泛应用于汽车中。人们生活水平的提升，对汽车的要求越来越高。虽然机械式变速器较为古老，但依然能够满足一些汽车爱好者的需求。汽车的不断发展，汽车机械式变速器的作用越来越重要，然而，在优化设计机械式变速器可靠性时，存在一系列问题。

（一）介绍机械式变速器设计

发动机具备较高的输出转速，在特定的转速区存在最大扭矩和最大功率。为了使发动机性能充分发挥出来，需要安装变速装置，以对车轮实际行驶速度与发动机转速进行协调，这种装置被称之为变速器。齿轮组是机械式变速器应用的重要部分，各个档的齿轮组齿数是一定的，因此，每个档的变速比值是一个固定值。

（二）分析存在的问题

现代设计方法的主要优势是能够对精密的数字运算进行优化设计，以获取最佳设计功能，或者能够优化局部结构设计、局部零部件，做到汽车轻量化，以减少尾气排放，节约能源。所以，现代优化设计法被广泛应用于汽车变速器设计。从另一角度来说，采取现代优化设计方式设计汽车变速器，不仅优化了其设计功能，同时也优化了其性能。汽车变速器的三个重要性能指标是可靠性、安全性和平稳性，在现代优化设计方式对汽车机械式变速器进行设计时，优化了变速器的可靠性、安全性和平稳性。所以，在采取现代优化设计法设计汽车机械式变速器时，需要优化设计其可靠性。

二、优化设计机械式变速器的可靠性

尽管机械式变速器依然采用传统汽车技术，但其作为变速机构的一种，通过优化设计，能够提升其可靠性，进而提升其在市场中的地位。因此，优化设计机械式变速器的可靠性，显得尤为重要。

（一）分析变速器设计模型

汽车设计过程中，存在的一个主要矛盾是轻量化与可靠性，故在设计汽车时，要权衡轻量化与可靠性间的关系，特别是对机械式变速器进行设计时。机械式变速器換挡变速原理，主要是利用多个齿轮改变传动比。在设计汽车变速器轻量化和可靠性时，主要是优化设计齿轮的轻量化和可靠性。设计变速器轻量化时，重点考虑变速器齿轮系统体积，把变速器齿轮体积最小和设置为设计轻量化目标函数，公式[ 2 ]如下：

上述公式中，各个齿轮分度圆直径用，各个齿轮齿宽用b表示，因齿轮系以渐开线圆柱齿轮进行转动，故分度圆压力角相同，互相要喝的两个齿轮分度圆上木梳相同。除此之外，螺旋角、倒挡齿轮模式和一档齿轮取值一致，故倒挡传动比决定着倒挡齿轮体积。设计好前进档位齿轮后，借助倒挡传动比，能够对倒挡齿轮其他参数进行计算，齿轮系体积计算公式如下：

上述公式中第i档齿轮法向模数用mni表示，其中i=1，2，3，4，5；第i档齿轮分度圆柱螺旋角用其中i=1，2，3，4，5。

参照变速器每个档传动比间关系，公式2可以转化成齿轮基本参数函数，公式如下：

之后确定设计变量，构建约束条件，对目标函数进行求解，这样，能够完成汽车变速器轻量化设计，进而优化设计汽车机械式变速器可靠性。

（二）以变速器齿轮可靠性为中心，分析复合模型

实际分析上述模型时，主要是在体积方面优化设计变速器自身轻量化，关于可靠性设计内容较少。所以，基于传统变速器体积函数模型，分析可靠性目标，以轻量化和可靠性为主构建复合设计模型。

变速器内部齿轮安装了检测装置，以实时监测内部齿轮状态，加入机械式变速器齿轮均可能出现故障，当其中一个齿轮出现故障时，判定为变速器出现故障[ 3 ]。

这时，机械式变速器内部齿轮出现故障用H1表示，齿轮无故障用H0表示，N个齿轮检测装置可以获得k个没有经过处理的数据向量Xi。

就这一模型进行分析，在模型计算中纳入因故障率引发的可靠性，将促进机械式变速系统计算可信度及可靠性分析的提升。

（三）多目标优化法

这种方法求解的方式包括很多种，现利用综合目标法进行分析。利用线性加权法转化多目标优化问题，使其变为评价函数，各个单目标优化值倒数设置为权系数，那么minf（X）=[W2f2（x）+W1f1（x）]，公式中，体积加权系数：W1=1/F*1（X），总重合度加权系数：W2=1/[-f*2（X）]，单体积最优化值：F*1（X），单总重合度最优化值：F*2（X）。

三、总结

汽车的可靠性和稳定性受到变速器可靠性的影响，故在设计机械式变速器时，要实施优化研究，在机械式变速器设计中纳入可靠性分析，以促进机械式车辆变速器的市场份额。

本研究采用现代设计方法优化设计机械式变速器可靠性，并构建可靠性复合模型，对机械式变速器可靠性进行优化设计。但研究内容存在局限，有待进一步研究。

参考文献：

[1] 朱艳军.对汽车机械式变速器可靠性优化设计的研究[J].民营科技，2014（7）：43.

[2] 帅宗良.汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].城市建设理论研究电子版，2015（4）：256.

[3] 李鹏飞.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].科技传播，2014（17）：90.