汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究

汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究

傅金洋

浙江长泰机械有限公司，浙江省绍兴市，312000

摘要：汽车运行中通过内部系统互相协调，基于发动机作用下带动整个汽车前行，变速器对于汽车运行速度控制具有重要作用。文章先分析了汽车机械式变速器，随后介绍了汽车机械式变速器可靠性优化设计，最后介绍了汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计，包括可靠度分配、设计变量选择、可靠性设计，希望能给相关人士提供有效参考。

关键词：汽车机械式；变速器；可靠性；优化设计

引言

汽车机械式转向系是保证汽车操纵稳定的重要系统，其主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机组成。汽车机械转向系主要靠驾驶员来进行动力操控，在车辆转向时，驾驶员必须按照驾驶需求旋转汽车的方向盘，再由转向轴完成动力传送，实现转向操作。汽车转向沉重故障发生时可能导致方向盘转动异常，无法自动回位，从而造成严重的驾驶安全风险。因此急需进行汽车机械式转向系转向沉重故障诊断。因此，汽车机械式转向系的控制容错性较低，容易出现安全事故。提出将ＧｒＣ约简电动汽车故障信息属性样本输入神经网络中进行训练，根据训练结果并利用ＤＳ证据理论实现电动汽车故障的最终诊断。事实上，汽车转向沉重故障产生的常见原因包括４种：第１种是汽车的助力油不足；第２种是汽车的转向器或转向柱轴承损伤；第３种是汽车转向横拉杆球头损坏；第４种是汽车轮胎胎压不足。这些原因都会导致汽车机械转向系异常。常规的汽车机械转向系转向沉重故障检测方法使用初级决策算法进行决策，检测的转向系转向压力存在较高的误差，不能满足转向沉重故障诊断需求，因此，本文使用决策树算法，设计了一种新的汽车机械式转向系转向沉重故障智能诊断方法。

1汽车机械式变速器概述

1.1汽车机械式变速器设计应用现状

机械式变速器已经成为满足驾驶员要求的一种主要的驱动形式，也是实现汽车操控性与安全性的一个重要环节，这就要求设计者要充分考虑其换档的有效性，同时要充分考虑驾驶员的操纵体验和使用寿命。但在当前的设计中，高的输出速度意味着在转速范围内会产生最大的转矩和动力问题。在此情形下，设计人员需要用换档机构使引擎转速与轮子转速相一致。目前，由于科技水平的不断提高，传统的传动设计方法已无法适应车辆的设计需求。特别是，汽车零件设计人员将注意力集中在降低质量和平顺性上，从而使设计人员更多地关注车辆的重量和燃料利用率。具体地说，现代的设计方法是利用复杂的数值计算对设计进行优化，以达到最优的设计效果，或者对局部零件和结构进行优化，以达到减轻车辆重量，提高燃料利用率，降低尾气排放量。

1.2汽车机械式变速器设计特点

汽车传动系统是实现汽车传动系统的关键部件，而机械式传动系统是目前市面上应用最早的一种传动方式。由于汽车传动系统采用齿轮传动，所以传动机构的齿数、传动比都是固定的。因此，设计人员应依据其设计特性，选择最佳的机械传动系统的设计方案。设计人员要保证机械传动系统的高功率。比如，货车和商业汽车的机械传动系统，其设计的可靠性，既要承受较大的压力，又要承受较大的重量，又要与引擎装置相结合，以达到拖拉的目的。设计者应能为汽车设计出符合经济、兼容等基本原理的机械传动系统。比如，在驾校的课程中，所有的汽车都是机械式的，这是由于人工换档不但能强化司机对汽车的基础知识，而且也能给学员们带来更多的安全与便利。在家用汽车和设计中，机械齿轮箱汽车是最经济的选择。在当前市场上，各大汽车品牌都采用了机械式传动系统。研究显示，由于其驾驶困难、事故发生率低、成本低、安全、稳定等特点，在现今的交通环境中得到了广泛应用。

2汽车机械式变速器分析

2.1汽车机械式变速器发展现状

通过调查分析发现机械式变速器依然是当前汽车生产领域中广泛应用的变速器之一。尽管其存在各种缺陷，比如操控复杂、体积规模大以及换挡冲击大等问题。但机械式变速器在实际应用中依然存在各种优势，比如使用寿命长、具有较高的操作可靠性、传动效率高等，同时机械式变速器的生产成本较低，制造工艺成熟。在当下设计工作中，高输出代表转速范围所形成最高动力和转矩。基于该种情况下，相关设计者应该合理应用换挡装置，促进引擎转速和转轮保持相同速度。因为技术限制，传统模式下的传动设计已经无法满足新时期汽车设计要求。尤其是汽车零件设计者将关注重点转移到平顺性以及降低质量当中，设计者对于汽车燃料利用率和汽车重量更为关注。在机械式变速器相关设计中引入可靠性优化设计方法，创建多目标可靠性优化设计模型，能够支持机械式变速器的优化设计。

2.2汽车机械式变速器设计特征

机械式变速器相关变速传动结构，传动模块作为整个汽车系统重要部件，机械式变速器是汽车领域中诞生最早的传统方法。因为汽车传动系统主要是齿轮传统模式，因此相关传动比以及传动齿数都是一种固定数值。设计者需要联系具体特征设计合理的机械传动优化方案。设计者应该使机械传动系统维持较高运行功率，例如商业汽车以及货车对应机械传动系统，可靠性设计中，需要保证充足承压能力和荷载承受能力，可以和引擎系统互相匹配，实现牵引目标。设计者需要结合企业的兼容性和经济性要求合理设计机械传动系统。

3汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计

3.1齿轮参数确认调整

在齿轮参数确认的过程中要对其他的变量进行测量确认，包括中心距离以及模数。由于机械式变速器的重量是一个因变量，会随着中心距离的增大而产生正向变化，从而导致模数的变化，这会导致齿轮最终的数值强度无法确定。因此，在进行齿轮参数的确认时，最好通过公式确认模数，保证齿轮的强度。齿轮参数还可以通过压力角以及齿角的数值进行确认，压力角的数值变化和齿轮的后续齿抗弯程度相关并呈现正向关系，也就是压力角越大，后续齿抗弯的能力也就越强。在齿角相对较大的时候，荷载的重量就会增加，从而降低齿轮的荷载能力。在选择齿轮时一般会选择斜齿轮，因为该齿轮的重合度较高，能够最大程度地保证汽车行驶过程中的稳定性以及承载力，还可以减少噪音。但由于斜齿轮的参数一般为整数，所以在进行初选模数时要满足国际管理标准，如果啮合齿轮无法提供有效的公因数，就需要构建齿轮模型，再进行齿轮参数的处理。

在进行齿轮其他参数的处理时，还要根据汽车内部实际情况切实计算分度圆直径、变位系数等数值。齿轮在汽车行驶过程中有所损坏是很正常的事情，但是要对齿轮损坏情况进行分析，提高齿轮轮面的抗压抗腐蚀能力，保持悬臂状态下的应力传输，保证齿轮的可靠性提升。

3.2部件可靠程度分配

变速传动机构包括变速齿轮、变速器轴、花键以及轴承，这些部件的可靠性应有不同的分配标准和分配数值，以达到将变速传动机构整体的重量减轻、降低成本的效果。关于这些部件的可靠性最佳具体分配要根据不同的部件参数进行计算，对于变速齿轮的可靠性程度分配中，接触强度和弯曲疲劳强度参数是主要参数；对于变速器轴的可靠性程度分配中，要考虑的主要参数是轴疲劳刚度以及强度；对于花键的可靠性程度分配中，考虑的是花键疲劳强度；轴承则不做可靠性程度的分配以及参数计算，因为轴承的成本及更换花费都很低。最后要得出几个部件的可靠度分析就可以将以上的所有参数相乘，以此来得出合理的部件可靠性程度具体数值。

在进行参数分析以及可靠性程度分配之后，可以通过概率统计计算整体变速传动机构的可靠性优化设计模型。对于零部件的优化设计模型的建立，最先还是要确认目标函数数值。该数值的算法为初始值的选取，一般为零部件的体积或尺寸，比如对变速齿轮进行体积数值的选取以及重合度数值的选取，之后按照这两个数值进行体积最优化以及重合度的最优化，以此得出两种因素的最优值，并从最优值中得出体积以及重合度的权系数，将两个权系数进行优化运算，最后得出最优值，从而建立起变速传动机构的可靠性优化设计模型。

3.4连接可靠性优化设计

在变速传动机构中，每个部件都有十分重要的作用，汽车变速传动机构正是由这些重要的零部件组合而成的完整整体，所以要实现汽车变速传动机构的可靠性，就需要将所有汽车变速传动机构中的各部分进行合理的连接以及完美发挥各部分功能。在进行零部件的整体连接过程中，要从零部件的具体情况出发进行连接优化。比如对于变速齿轮，就要考虑到其体积大小、尺寸大小以及齿轮在应用过程中的耐久度以及荷载能力等因素，根据这些参数才能进行变速齿轮的连接。

每个部件都需要使用连接结构进行连接，继而保证整体的协调运转。所以在考虑到每个零部件的具体参数时，还要将所有零部件的参数都进行整合，不能片面地只考虑到单个零件。要以全面的参数条件去进行整体汽车变速传动机构可靠性的连接。整个连接的过程是很复杂的，因为零件的参数会产生变化，而且各个不同零件的参考参数也各不同。比如变速曲轴的参数是轴刚度、轴稳定度以及磨损程度，但是对于花键来说参数的范围就是疲劳强度。因此要在零部件的连接这样复杂多变的情况中实现可靠的有效连接，需要连接结构的帮助，一般会使用如铆钉、螺母、键等固定件进行连接。要保证连接后的连接结构具有足够的稳定性、零件位置准确、连接位置在工作过程中运行顺利。对于连接结构来说，由于要连接的零部件共同运行起来会产生很强的负载，因此还要确认并增强连接结构对于零部件正常工作时产生的负载承受能力。可以使用钻孔或者加工槽位的方法对连接结构的承载能力进行评估判断。要时常检查连接结构的磨损程度以及紧凑程度，以此保证连接结构的可靠性。

3.5变速器轴可靠性优化设计

在汽车变速传动机构中，变速曲轴一直都是结构最为复杂的。可以分为轴肩段、轴颈、中间轴等。变速器轴一般都在汽车变速传动机构中起到承载压力的作用，因此对于变速器轴的可靠性优化也应该侧重承载能力方面。应该对变速传动机构的整体的中心距进行调整，使其在一个适当的范围内，由于中心距越大，变速箱的重量也就越大，因此要适当减少中心距，使变速箱的重量减轻。在对于其他零部件的构造选择时，也尽量以重量轻的标准实行，减轻整体的变速传动机构的重量，达到减轻变速器轴负载的目的。还可以通过对变速箱的箱体进行加筋优化，这样不仅可以提升箱体刚度，还可以提高固有频率，从而达到降低箱体振动的目的。在变速曲轴的工作过程中，曲轴接收到应力，并在之后将这些应力传送到变速传动机构中，通过变速传动机构中的齿轮将动力传输到输出轴，最终完成这一系列的工作过程。在此过程中，由于变速曲轴需要承载来自发动机的应力，所以曲轴轴面的各个角度的数值都很重要。曲轴各个方面的角度都会影响到最终变速传动机构整体的可靠性程度。要保证变速曲轴的可靠性在一个稳定状态，就需要将曲轴中阶梯轴利用起来，利用阶梯轴完成截面轴的作用。在变速曲轴的可靠性的增强和维持中，要详细分析不同轴具体作用、受力参数、角度等因素，优化曲轴中转矩、弯矩以及轴径的设计，继而提高变速曲轴的可靠性。

结语

综上所述，汽车中的机械式变速器实际操作运行会直接影响整个汽车运行的稳定性和可靠性，为此针对机械式变速器进行综合设计中，想要进一步优化设计，提升机械式变速器的市场竞争力，需要对现有设计方案进行持续优化，除了需要注重高质量、高标准和高要求之外，还需要合理利用先进的科技手段持续创新，提升机械式变速器综合实力。。汽车作为某种代步出行工具，应该重点提高整体安全性。

参考文献

[1]黄瑾媛.汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究[J].南方农机,2019,50(10):157.