汽车机械式变速器变速传动机构优化设计探讨

汽车机械式变速器变速传动机构优化设计探讨

陈建就

广东东箭汽车智能系统有限公司  广东佛山  528000

摘要：机械式变速器是促进汽车前进和倒退的传动装置，高效的传动效果也是其他变速器无法达到的。采用了机械式变速器的汽车也可以有效提高驾驶者的协调性同时也给驾驶者带来良好的超车体验。因为强大的牵引力让汽车在换挡的时候会出现不稳定、有冲击感的情况，汽车相关行业也要对此问题进行深入研究并且制定改进对策。

关键词：汽车；机械式变速器；变动传动机构；优化设计；应用效果

   引言

在自动化技术、信息技术、微电子技术等多种技术的支持下，机械式变速器系统稳定性明显提高，换挡时候的掌握也非常精准、操作更加顺畅、冲击感明显降低，可以给驾驶员带来稳定、动力十足的驾驶感受。从目前来看，汽车作为全球应用最多的交通工具，给人们的出行带来了极大的便利，同时对于物资的运输也发挥着积极IDE作用。传统自动变速到无级变速的发展过程中，汽车变速能力明显提高，传统机械式变速器也受到很多因素的影响在应用上受到了很多的限制。汽车设计与汽车装配中选择份额明显降低，尤其是机械式自动变速箱技术的应用，带来了更多的解决对策，为传统机械式变速器的应用带来了很多的可能。从设计角度来说，机械式变速器有极高的工艺以及较低的制作成本；从运行性能上来说，具有极高的传动效率。

1变速传动机构的可靠性设计原理

汽车变速中，变速器作为变速传动系统的重要组成发挥着积极的作用。变速机构与传动机构都是变速器的重要组成，通过齿轮的转动来提高了变速器的传动效果，普通齿轮可以负担大多数的传动情况，必要的情况下也需要采用行星齿轮转动。汽车变速传动的原理依赖于齿轮传动比与发动机曲轴转矩的变化来完成，以此来满足用户在不同的驾驶环境下对牵引力以及运行速度的不同需求。在汽车行驶过程中通过换挡来调节变速箱中不同的齿轮副来进行工作，行驶速度较慢的有传动比较大的齿轮副来完成工作；行驶速度较快的则由传动比较小的齿轮副来完成工作。可靠性是机械设计的关键，需要对系统的可靠性进行全面的考量，以此来提高设计方案的稳定程度和可靠性[1]。综合分析机械系统性能的相关因素，要协调机械系统的时间、成本等指标。汽车机械式系统在实现设定功能和达到预期目标的基础上，要整合各项有利因素、消除不良因素，构建全面、可靠的系统设计方案。一般机械系统可靠性设计方案为：（1）以汽车机械系统需要的内部零件为主，内部零件的数据分析与整合后对系统的可靠性进行分析，选择可靠性比较高的设计方案。（2）以系统整体的可靠性为基础，在符合预定指标的基础上对内部零件进行整合，从各种整合方案中选择可靠性最好的设计组合[2]。

2变速传动机构可靠性的相关分析

2.1变速齿轮的可靠性分析

机械器件在外部设计中朝着体积小、重量轻、成本低的方向去发展，对汽车变速器而言，体积大小对于整体可靠性指标有重要意义，变速器传动机构体积缩小、质量减轻有利于将汽车整体重量集中起来，从而保证行车的稳定性。变速器的传动功能来源于齿轮系，因此齿轮系的大小与变速器体积有密切的关系，变速齿轮的可靠性设计也是汽车机械式变速器设计的关键。齿轮系的可靠性分析阶段，要将空心机构作为实心机构，简化齿轮设计的难度[3]。同时也要考虑如何提高齿轮的重合度，齿轮传动重合度越高则传动系统的运行就越平稳，以此来降低齿轮的噪音，提高汽车行驶中的动载荷控制效果。

2.2变速器轴的可靠性分析

变速器中的轴构件主要是将驾驶员的操作力传递的机械器件，轴构件决定了其组成的复杂程度，构件包括齿轮安装段、过渡段、轴颈段以及轴肩段的部分。变速器轴构件的刚度、稳定性也决定了变速器的可靠性。根据机械器件普遍优化的方向，要减小变速器轴的重量同时缩小其占用的空间，提高变速器轴的灵活性，给驾驶员带来良好的行车体验。通过选择前两个轴、中间轴和倒挡轴的构建来实施可靠性的优化设计，这也是可靠性设计的重要阶段，由于结构比较复杂，其他轴需要根据第一轴的可靠性分析来进行后续工作[4]。

2.3花键可靠性分析

花键是变速器的重要组成，在机械式系统中比较多见，花键为多齿状态，每个齿根相同且比较小，多齿的结构可以提高花键的承载能力，同时导向性和对中性也比较好。变速器传动中，花键浅小的齿根的应力水平不算高，从而保证了变速器的整体刚度。通过对花键可靠性的研究有利于提高变速器整体稳定性和可靠性。

3变速器变速传动机构的可靠性设计

3.1可靠性分析

为了满足汽车机械变速传动系统的相关指标，在保证质量达标、牵引力充足的情况下对汽车零件进行全面可靠度的分配，以此来达到降低变速器传动机构成本、降低重量、简化工艺的效果。见图1。

通过图1可以发现，变速器的传动机构组成包括变速齿轮、变速器轴、轴承、花键等，需要对这些组成部分的可靠度进行合理的分配。变速齿轮的可靠性分配阶段，采用RL接来表示齿轮接触的强度，采用RL弯来表示齿轮弯曲疲劳程度，在变速器轴的可靠度分配阶段，RS刚则用于表示轴疲劳的刚度，RS强则表示强度，花键的可靠度分配阶段，RJ强则用于表示花键的疲劳强度

[5]。因此变速传动机构的可靠度计算公式为RS=RL接×RL弯×RJ强×RS刚×RS强。

3.2可靠性优化设计模型

整体分析零部件的尺寸、强度、重量等因素，采用统计学来设计可靠度试验，计算出最佳的数据，以此来提高系统的可靠性。见图2。

图2  优化设计模型的算法流程

第一，要先确定目标函数。变速器齿轮系的体积、传动负荷对变速器的可靠性有极大的影响，选择体积和传动负荷作为研究对象。变速器的体积越小则有利于降低汽车造价，重量集中可以保证汽车驾驶中的稳定性。齿轮重合基础大于1，参与啮合的齿数越多，则齿轮转动重合度就会越高，载荷能力分配到比较多的齿数中，从而降低了单个齿数的载荷量，也减少了噪音和摩擦损耗，有效提高了传动机构的可靠性。第二，选择设计变量。零部件的各种尺寸、规格都属于变量，要选择齿轮系的五档变速比、参与啮合的齿轮数、齿宽等进行变量设计。第三，确定好约束的条件。在可靠性设计阶段，参与设计的都具有约束条件。

3.3变速器轴可靠性优化设计

汽车结构中，尤其是变速器传动机构中的轴结构比较复杂，轴肩、轴颈、中间轴等都是重要组成，开展汽车可靠性设计就要考虑到轴的承受能力，在此基础上将变速器传动机构朝着轻量化进行改造。缩短轴之间的距离来提高承重能力，从而优化轴承的工作性能。动力从发动机中通过输入轴进入到变速器内，带动齿轮将动力输送到输出轴上，这个过程中的每个轴构件都非常重要[6]。阶梯轴复杂程度较小，可以通过阶梯轴发挥等截面轴的效果。轴结构的截面强度、受力变化都是正态分布的，因此变速器轴的可靠性优化需要与轴的特殊结构结合起来，分析轴各个部分的受力情况和承载情况，优化弯距、转矩以及轴径，提高变速器轴的可靠性。

4小结

    随着科学技术的发展，变速器也得到了积极的发展，虽然大多数司机非常习惯传统的机械式变速器，不过自动变速器和无级变速器在市场中的广泛应用，给机械式变速器的应用带来了一定的挑战，因此机械式自动变速技术的应用也给机械式变速器的未来发展注入了新鲜的血液。因此在当前环境下，机械式变速器得到广泛的应用，不过在具体应用中依然存在很多的问题，尤其是传动机构的可靠性还需要进一步进行完善。

参考文献：

[1]王超.汽车机械式变速器变速传动机构优化设计与实现[J].微型电脑应用,2023,39(07):38-41.

[2]赵杰.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计分析[J].新型工业化,2022,12(05):94-97.

[3]刘怡然.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].南方农机,2019,50(24):32.

[4]贾冉.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].山东工业技术,2017(06):288.

[5]梁兆祥.汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化[J].山东工业技术,2016(20):287.

[6]尤建祥.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].汽车实用技术,2016(02):57-58+69.