汽车机械式变速器现代设计方法应用研究

汽车机械式变速器现代设计方法应用研究

赵德彪

潍坊科技学院山东潍坊262700

摘要：汽车机械式变速器是当前社会中大多数汽车所采用的变速器类型，所以在机械式变速器的设计方式以及设计细节方面需要实行更加全面的设计与判断，应用多样化的不同设计方式，从多角度、多方向优化机械式变速器，从而满足机械式变速器的可靠性优化设计需求。本文进一步分析了汽车机械式变速器现代设计方法应用，以供同仁参考借鉴。

关键词：汽车；机械式变速器；设计方法

1汽车机械式变速器设计特点分析

汽车变速器是为汽车运行提供可变速度的重要零部件之一，其中机械式变速器是目前市场上各种汽车变速器中较为古老的一种调速设计。由于汽车机械式变速器是通过齿轮组来实现传动的，其齿数与各档的变速比要通过设计进行固定。因而，设计人员要在明确汽车机械式变速器设计特点的基础上，找出其可靠性优化的设计方法。首先，设计人员要保证机械式变速器的作用效果具有极强的传动能力。例如，卡车和商务的机械式变速器，可靠性设计不仅要使其能够承担高压和自重，还要与发动机设备进行配合以实现车辆的牵引力。其次，设计人员还要能够让汽车机械式变速器设计满足经济适用性以及协调性的原则。以驾校用车过程为例，该类车辆均为机械式变速器，这是因为手动换挡不仅能够巩固驾驶人员的基本用车知识，还能实现练习的安全性和控制便利性。最后，对于家庭汽车的使用及设计来说，选择机械式变速器车辆的性价比最为合算。目前的市场环境中，机械式变速器在各大汽车品牌的车型中均有使用。相关研究表明，这类汽车的开车强度较低、误操作率低、经济实惠且安全稳定性较高，因此，被广泛应用于当前的交通运输环境。

2汽车机械式变速器现代设计方法应用

2.1变速器齿轮的设计

齿轮是变速器的基本零部件之一，与变速器系统的功能息息相关。设计人员在进行齿轮设计时，要以减少齿轮的动载荷，提高使用寿命为目标。首先，选择中心距。由于中心距的大小与变速器的质量、尺寸、体积等存在着一定的关系，所以它是设计变速器的重要参数。中心距就是啮合齿轮的圆心距。中心距越大，齿轮之间的接触面积就越小，考虑到齿轮安装成轴的便捷性，要求中心距的长度适当增大。其次，设计传动轴尺寸。齿轮齿数是指整个圆周上齿轮的总数。齿数设计不可过少，保证最小齿轮不能产生跟切现象。通过齿轮齿数的确定，对轴半径进行估算，由于扭矩组合在存在不确定因素时是不能计算的，只有初步确立了轴的大体结构，才能计算扭矩。最后，要想在保证齿轮的质量的同时，减少成本、节约材料，要改善传统的函数确定方式，采用对齿数、螺旋角、模数、齿轮变位系数等进行估算，校核、修改、再重复计算的计算方式。这种方式会具有一定的主观性，因此在进行优化设计时，要消除这种主观因素，把减少变速器的体积、质量作为目标，选取合理的参数，进行最优组合，达到优化设计的目的。

2.2变速器档位的设计

首先，变速器档位的设计。变速器档位的优化，具有两个方面的优势。一是增加档位可以提高汽车的性能，为发动机提供动力，让汽车的提速能力和爬坡能力获得提升。二是档数的增加在降低汽车的油耗，节约成本。但是，变速器的结构变化，给操作造成了一定的负担，同时增加了维修成本。因此，设计人员在进行设计时，要充分考虑到档位设计的一些相关问题，充分发挥优势，降低负面作用。其次，关于档位传动比的计算。传动比是指变速器一档的传动比和高档传动比之间的比值。由于不同车型之间的传送比相差较大，在进行传送比计算时，要充分考虑到汽车发动机的设计参数、汽车使用条件，再结合所设计车型的传送比要求进行计算，通过档位传送比的准确计算，提高机械变速器的性能。

2.3汽车机械变速器其它关键参数设计

中心距是指相互咬合在一起的两个齿轮圆心之间的距离，中心距的设计对于变速器的总体尺寸、体积和质量等产生重要影响。中心距如果设计过大，则不同齿轮的轮齿接触面积就小，齿轮的使用寿命会大大缩短。如果齿轮中心距设计过小，则齿轮的安装难度大大增加，增加了齿轮的磨损。当齿轮的齿轮设计完毕后，需要依据齿轮的刚度和强度参数对中心轴的粗细进行设计，确定了中心轴的基本参数后还需对其能够承受的扭矩力进行验证分析。机械式变速器仍然为大多数汽车所采用，机械式变速器结构简单、性能稳定，具有较大的发展潜力和优势，因此相关技术人员仍有必要对重要参数进行研究分析和改进，确保我国汽车变速器的设计水平处于先进行列。

3汽车机械式变速器可靠性优化设计

3.1基于机械式变速器齿轮的可靠性复合模型分析

借助机械式变速器的体积函数模型，对变速器的可靠性进行分析，建立以轻量化和可靠性为基础的复合型模型设计。假设机械式变速器内全部齿轮都可能会出现故障，只要其中某个齿轮出现故障，就可以认为机械式变速器出现了故障。用相应符号代替变速器中齿轮出现的故障，对全部齿轮监测的正确性进行计算。然而，监测设备并不是万能的，齿轮也不可能永远都不出现故障，所以需要建立机械式变速器故障诊断系统。为了能够对故障诊断规则性能进行衡量，需要对误报和侦测的概率进行计算，进而为机械式变速器的齿轮故障模型提供可靠的数据支持。然后，确定设计的变量，建立约束条件求解，得出机械式变速器的可靠性设计函数。

联立上述基于机械式变速器轻量化设计函数与可靠性设计函数，使之成为一个多目标的优化函数方程组，展开求解。这样既能够确保实现变速器的轻量化目标设计，也可以确保变速器的可靠性设计。在对这种多目标函数展开求解时，一般方法是把多目标函数慢慢转化成单目标函数，然后再展开求解。从上述分析可见，把监测系统自身因为故障率而造成的可靠性也纳入计算模型内，能够极大地提高机械式变速器整体系统的可靠性分析和计算可信性，进而为深化机械式变速器可靠性设计提供指导和借鉴。

3.2可靠性设计优化的求解

因为本文研究的是多目标优化函数，目标函数也是非线性的多元化函数，具有较多的约束条件，不能求出解析解，所以需要使用专业数学软件求解。Matlab6.5优化函数工具箱内的fmincon函数可以对上述问题进行解决，可先将目标函数与约束条件编写为独立文件。先是目标函数文件，同时建立起非线性约束条件文件，然后编写其他限制性文件，开展多目标多元化非线性函数联立和求解。将本次设计基于机械式变速器中齿轮轻量化和可靠性设计多目标优化设计和只是基于变速器轻量化设计的方案对比进行求解，进而进行验证。从实际求解的结果对比来看，基于变速器轻量化和可靠性多目标设计后，机械式变速器的齿轮体积明显减少，可靠性大幅度增加，提高了变速器工作的可靠性和诊断故障的正确率，进而提升机械式变速器整体系统的可靠性和计算可信性，从而为提升机械式变速器可靠性提供决策数据支撑。

结束语

变速器是汽车生产重要的组成部分，对变速器设计进行优化和改进，能够提高汽车设计制造技术，提高人们的生活质量。对现有的设计模型进行改进，完善变速器相关的性能。促进我国汽车制造行业的发展，对我国社会的可持续发展有重要意义。

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