汽车机械式变速器优化设计实现路径研究

程成 李骏 伍世第 任鹏宇

摘要：变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其经济性、平稳性、舒适性等性能对汽车整体性能的优劣有着显著的影响。目前，虽然自动化变速器技术获得了迅猛的发展，但传统手动机械式变速器因其所具有的结构简单、传动效率高、成本低等优点仍旧占据着很大的市场份额。本文将对汽车机械式变速器的优化设计实现路径进行探讨研究。

关键词：机械式变速器;优化设计;现状

引言

近些年来，我国汽车工业在国民经济中所占的比重越来越大，带动了机械、化工、石油、冶金等一系列相关工业的发展。随着我国经济的发展以及居民收入水平的提高，汽车产销量也呈现出持续增长的趋势。变速器作为汽车的主要部件，其选用需要考虑成本、经济性、客户需求等多方面的因素，虽然自动变速器是未来行业发展的主流趋势，但手工机械式变速器仍旧存在应用价值，对其优化设计进行探讨对行业发展具有现实意义。

一、汽车变速器以及机械式变速器设计概述

作为汽车的关键系统部件，变速器的主要作用包括以下几点：其一，改变汽车的传动比，增大汽车转矩和转速范围，从而更好的适应不同的工况，使汽车始终保持着最佳的动力性和经济性。其二，對动力输出方向进行改变，控制汽车前进或是倒退。其三，中断动力输出，使汽车在启动和怠速等状态下灵活切换。就目前来看，汽车变速器主要可以分为两大类，分别是手动变速器和自动变速器。手动变速器即是指手动机械式变速器，主要是通过驾驶员操作挡杆的方式对其内部传动力的齿轮副进行自主调整，达到换挡的目的。这种变速器的应用时间较长，因此制造工艺更为成熟，传动效率高、平稳性强。目前，机械式变速器仍旧是大部分汽车都在使用的变速器，属于有级变速器的范畴，其不同的挡位均具有固定的变速比。虽然机械式变速器操作起来较为麻烦，但是其拥有其他变速器所不具备的独特功能，具体包括以下内容：其一，采用机械式变速器可以将发动机的潜能充分激发出来，产生更强大的动力，使汽车可以单纯的凭借发动机实现爬坡，因此非常适合一些对牵引力要求较高的重型货车或是大型客车。其二，机械变速器可以为驾驶员带来更加肆意、自由、奔放的驾驶体验，使其获得满足感，这对汽车产业的发展具有促进作用。其三，机械式变速器有助于提高驾驶技能，操作机械式变速器十分考验驾驶员的实际操作能力。因此现今我国驾校的练习车采用的就是机械式变速器，目的是锻炼学员的基本功和协调能力。自动变速器的种类更多，具体可以分为机械式自动变速器、液力自动变速器、无级变速器、双离合器式自动变速器、电驱动自动变速器等五种。其中机械式变速器是将电子控制系统与手动机械式变速器的技术和优点相结合而形成的，具有自动化控制换挡的功能。这种变速器兼具手动机械式变速器和自动变速器的优点，具有传动效率高、制造成本低的特点，但容易在换挡的过程中出现顿挫，影响舒适性。液力自动变速器是通过液压对行星齿轮变速系统进行控制，优点是可以在低速时实现大转矩输出，性能更加平稳，缺点是加速偏慢。无级变速器是由主动轮组、从动轮组和金属带等部件构成，可以支持传动比的连续变化，特点是体积小、重量轻、耗油低。不足之处在于结构复杂，对控制系统要求较高。双离合器式自动变速器包含有两个离合器以及配套输入轴，其特点是在换挡时可以维持动力的无间断输出。电驱动自动变速器是电动汽车和混合动力汽车所采用的变速器种类，是通过电机对待啮合齿轮的转速进行调节，使齿轮转速达到同步，继而借助自动换挡操作机构进行换挡操作。

二、机械式变速器的设计特点和现状介绍

（一）机械式变速器的设计特点

首先，机械式变速器设计的过程中必须确保其动力满足实际需求，结合汽车工业生产状况来看，机械式变速器多用于卡车、商用车等车型，它们对发动机的牵引力有着较高的要求。其次，考虑到机械式变速器的操作较为复杂，因此在设计中还需注重协调性和安全性，确保驾驶员在驾驶过程中能够有效的控制。再次，机械式变速器汽车对性价比以及安全稳定性的要求较高，目的是降低驾驶员的开车强度，这也是变速器设计过程中需要考虑的问题。

（二）机械式变速器设计的现状分析

就当前来看，在我国汽车生产过程中自动变速器技术的应用占比已经高达70%，因为其自动变速的特点符合了大多数人对操作简便的需求，但是这类变速器却存在传动效率低、零部件结构复杂的问题，使得维护和保养的难度大幅度增加。而CVT变速技术的出现则为汽车变速器设计打开了一条全新的路径，提高汽车的动力性和经济性。在主、从轮组和传动带的相互配合之下，实现了可变直径的传递动力作用，可以支持连续时间内的传动比调整，提高了变速器和发动机的配合度。

三、汽车机械式变速器的优化设计

目前，汽车制造领域引入了现代化技术方法体系对其不同零部件系统和机械式变速器的设计进行优化，促进车性能的大幅度加强。在具体实施的过程中，主要是针对汽车性能及零部件结构的相关情况，从实用性和舒适性的角度进行精密的数字化计算，以此实现性能强化。针对机械式变速器的优化设计，同样需要引入现代化技术方法，在确保其性能达到设计要求的基础上，尽可能的降低其质量，并提高其可靠性。

（一）汽车机械式变速器涉及到的齿轮参数

其一，对齿轮参数进行确定。在机械变速器设计过程中，首先需要确定中心距和初选模数。一般来讲，中心距越大，机械式变速器的重量也就越大。而齿轮的强度则与其模数大小相关，在实际工作中通常是遵循既有的公式确定初选模数，包括压力角、齿宽。其中压力角的大小影响着齿轮的接触强度和抗弯强度，齿角越大，其所承担的负载也就越高，相应的其承载力必然受到影响。在确定齿数时，需要对变位系数进行计算，利用螺旋角的斜齿轮可以达到增大齿轮重合力度的效果，不仅可以降低噪声，还可以提高强度。想要提高齿轮的承载力，可以对其失效的深层原因进行分析，继而针对性的对变位系数进行调整。其二，计算标准齿轮的尺寸和强度。齿轮计算涉及到的参数过多，最好的方法就是结合实际情况进行计算，需要使用到的参数包括变位系数、节圆直径、基圆直径、分度圆直径等，在计算过程中，必须尽可能的确保所有参数的精确度，否则会对计算结果的准确率产生负面影响。对齿轮强度进行计算是机械式变速器齿轮有效性的一个重要方法，针对比较常见的齿轮故障或是损坏现象，如齿轮点蚀、齿轮折断以及齿轮胶合等，必须确保齿轮面具备抗点蚀的能力，这是保障齿轮正常工作的基本前提。此外，在汽车动力传递的过程中，必须确保齿轮处于悬臂状态，如此就需要在强化齿轮可靠性的基础上遵循轻量化设计理念，提高机械式变速器的可靠性。

（二）汽车机械式变速器的设计模型

目前，輕量化设计是汽车机械式变速器设计的主要方式，其优势在于提高汽车的可靠性。而在具体设计中，为了平衡机械式变速器轻量化设计和可靠性设计存在的矛盾，需要对这两方面因素进行深入分析，理清二者的关系，在此基础上做出权衡。在汽车运行的过程中，驾驶员换挡时其变速器的转动比会发生改变，变速器齿轮系统体积缩小是轻量化设计的关键点。基于此，可以将机械式变速器齿轮体积之和最小作为轻量化设计的目标函数，建立其于齿轮宽度、分度圆直径的函数模型。齿轮传动所采用的渐开线圆柱齿轮，当其处于相互啮合状态时，其两个齿轮的分度圆模数和压力角会保持一致，而倒挡齿轮和一档齿轮二者间取相同值的模数和螺旋角，而倒挡齿轮的体积取决于倒挡传动比。因此在完成前进挡位齿轮设计之后，首先可以基于倒挡转动比去计算倒挡齿轮的其他参数。之后，基于变速器挡位传动比之间存在的关系，转化出包含相关基本参数的函数。最后基于具体的约束条件对目标函数进行求解，实现汽车变速器系统体积的缩小，同时满足轻量化设计和可靠性设计的要求。

（三）约束条件的确定

在汽车机械式变速器优化设计中，需要重点关注的约束条件有二：其一，变速器最大传动比约束。汽车传动系统的最大传动比有着多项约束条件，如汽车附着力、最低稳定车速、最大爬坡度等，此外在路面行驶的条件下还需保障驱动轮不会出现打滑现象。其二，中心距约束条件。根据前文内容可知，中心距大小影响着变速器的质量，自然也影响着其最终体积，对其进行约束是为了满足轻量化设计的要求。具体来讲，在汽车机械式变速器设计过程中，应在确保设计强度达到要求的前提下，最大限度的降低中心距的值，此时变速器最大传动比的值需最大，并保障发动机最大转矩。

（四）实验优化设计

本次研究依托的是多目标函数方法进行可靠性优化设计，即将多目标问题转化为两个目标的问题，进而采用常用的线性加权和法的决策方法进行求解，通过统一目标法和线性加权法将多目标函数转化为单目标函数，最终形成评价函数。其中统一目标法具体操作是为每个目标预先设定一个期望值，之后基于系统约束条件，获取与该期望值最相近的解。线性加权法则是基于不同目标的重要性为其赋予相应的权系数，之后对其线性组合进行寻优，最后完成多目标规划问题的求解。在评价函数确定后，将个单元最优化值的倒数作为权系数。为了最大程度的确保优化的精度，可以借助计算机编程、VB编程语言或是多重循环的方法解决局部解和离散变量的问题。在获得优化后的桉树之后，应将其与优化设计前的模数、齿数、齿宽等进行比对，验证机械式变速器齿轮系统体积是否变小、可靠性是否提高，为机械变速器系统提供数据和决策支撑。

四、结语

综上所述，汽车所采用的变速器性能直接影响着其综合性能，本文针对机械式变速器进行优化设计的目的是在满足性能要求的基础上，追求轻量化设计，提高汽车运行的可靠性，降低操作难度。基于研究内容，在具体设计中，应严格遵循优化程序，建构机械式变速器基础优化模型，基于各个约束条件提高机械式变速器设计的合理性。

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（07）：43.

[2]贾进浩.某重型汽车机械式变速器的设计优化与试验研究[D].江苏大学，2017.

[3]陈俊武，李娜，武文娟.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].中外企业家，2016（06）：204-205.