梁居正

摘要：机械式变速器是使汽车前进与倒退的传动装置，其高效率的传动作用是其他变速器无法取代的。采用机械式变速器的汽车可以很好的锻炼驾驶员的协调性，并给与驾驶员较好的超车体验。强大的牵引力量使得汽车在换挡时有冲击感和不够稳定等问题，汽车制造相关行业仍然需要对此进行深入研究和改进。文章结合变速器传动装置的可靠性分析，总结出汽车机械式变速器传动机构的可靠性优化设计。

关键词：汽车;机械式变速器;传动机构;可靠性

中图分类号：U461.2                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0013-02

0  引言

随着科技的进步，变速装置得到了多样化发展，尽管大多数的司机还是习惯于传统的机械式变速器，但是自动变速器和无极变速器在市场的大力普及，给机械式变速器带来了巨大的挑战。AMT（机械式自动变速箱）技术的出现给机械式变速器带来了新的生机。在自动化技术、信息技术、微电子技术等多种技术的综合支撑下，机械式变速器的系统稳定性得到提升，换挡时掌握更为精确，操作较为顺畅，冲击感降低，使驾驶员有动力十足且较为稳定的驾驶体验。可见对应用机械式变速器的汽车变速传动机构可靠性设计一直具有较大的显示意义[1]。

1  变速传动机构的可靠性设计原理探讨

在汽车变速过程中，变速器是变速传动系统的重要组成部分，发挥主要作用。变速机构和传动机构是变速器的两大组成部分，齿轮的转动实现变速器的传动作用，普通齿轮可以胜任大部分传动情况，必要特殊时候使用行星齿轮传动。汽车变速传动原理依靠齿轮传动比和发动机曲轴转矩的不同变化来实现，以达到用户不同驾驶环境下对汽车牵引力和运行速度的多样化需求。行驶过程中通过换挡来操纵变速箱中不同的齿轮副进行工作，行驶速度较慢的时候，让传动比大的齿轮副工作，行驶速度较快的时候，让传动比小的齿轮副工作。只有将可靠性作为机械系统设计的基础，对系统可靠性进行全面分析，才能使系统设定方案的可靠性最大化。综合考虑影响机械系统性能的因素，协调机械系统的成本、时间、质量等各项指标。在汽车机械式系统达到预期目标、实现设定功能的前提下，整合一切有利因素，消除不利因素的影响，打造系统全方位的可靠性设计。通常有两种关于机械系统可靠性设计方案，一种是以汽车机械系统所需内部零件为主体，内部各零件的数据分析和整合后系统的可靠性水平进行对比，选择出可靠性较高的设计方法;另一种是以系统整体的可靠性能为基础，达到预定指标前提下对系统内部零件进行整合，从多种整合方案得到可靠性最高的设计组合。

2  变速传动机构可靠性相关分析

2.1 变速齿轮的可靠性分析

机械器件在外部设计方面要向体积小、重量轻、成本低的方向靠近，对于汽车变速器来说，其体积大小对整体可靠性指标相当重要，变速器传动机构的体积缩小、质量减轻有利于汽车整体重量的集中，这样能保证行车的超高稳定性。变速器主要传动功能来源于齿轮系，所以齿轮系的大小与变速器的体积大小息息相关，因此，此变速齿轮的可靠性设计也是汽车机械式变速器设计的重点所在。在进行齿轮系可靠性分析时，可以将空心结构看作实心结构，简化齿轮设计分析的难度。另外也要考虑到提高齿轮的重合度，齿轮传动重合度越高，传动系统越平稳，可以降低齿轮工作的噪音，以提高汽车行驶操纵过程的动载荷控制水平[2]。

2.2 变速器轴的可靠性分析

变速器中轴构件是负责将驾驶员操控力进行传递的机械器件，轴构件作用的重要性决定了其组成是较为复杂的，主要构成为齿轮安装段、过渡段、轴颈段与轴肩段。变速器轴构件的刚度和稳定性都决定了变速器的可靠性。按照机械器件普遍优化方向，应减轻变速器轴的重量，缩小其占用空间，以此增加变速器轴的传动灵活力，给驾驶员带来较为流畅的行车体验。通常会选择前两个轴和中间轴以及倒挡轴等轴构件进行可靠性优化设计。这四根轴中可靠性分析的重点是第一轴，因为其结构最复杂，而且其他轴可以参考第一轴的可靠性分析。

2.3 花键的可靠性分析

花键是变速器另一重要组成部分，在机械式系统中很常见，花键是多齿的，齿根相同且较小，多齿的结构使得花键拥有较好的荷载承载水平，另外其导向性和对中性都较好。在变速器进行传动的过程中，花键浅小的齿根使其应力水平不高，能保证变速器的整体刚度。因此对花键的可靠性研究有助于提高变速器的整体可靠性。在工况条件下，花键受挤压的应力计算表示为：

可使用正态分布规律得到花键强度及应力分布，联立参数进行计算，从而求解花键结构可靠度系数[3]。

2.4 轴承的可靠性分析

在多数机械设备中只要使用到轴承，其主要功能都是提供相应的支撑，受径向载荷和横向载荷。变速箱内的轴承虽然看上去并没有发动机、传动轴部位的轴承结构重要，但是其直接关乎到汽车整体的可靠性，因此結合轴承的外形、尺寸、安装方式等进行可靠性分析是非常必要的。变速器轴承种类较多，汽车使用的轴承类型一般是径向球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承等，对轴承的可靠性分析有利于将汽车向小型化、轻量化方向发展，也有利于延长汽车的使用寿命。在可靠性分析中要考虑到轴承使用过程会有接触磨损，这会对动载荷产生影响。

3  变速器变速传动机构的可靠性设计

3.1 可靠度分配

为达到汽车机械变速传动机构的综合指标，在满足系统质量可靠、牵引力十足等各项前提下，对汽车零件也进行全面可靠度分配，以降低变速器传动机构的成本、减轻重量、简化工艺程度等。图1为汽车机械式变速器变速传动机构分解。

由图1可见，变速器传动机构主要包括变速齿轮、花键、变速器轴、轴承，因此分别对这些组成部分进行可靠度分配。对变速齿轮的可靠度分配中，用RL接表示齿轮接触强度，用RL弯表示齿轮弯曲疲劳强度，对变速器轴的可靠度分配中，用RS刚表示轴疲劳刚度，RS强表示强度，对花键的可靠度分配中，RJ强表示花键疲劳强度。因为轴承在汽车维修中更换方便，所以变速器可靠度分配中不考虑轴承的因素。传动机构可靠度呈串联模式，则变速传动机构的整体可靠度计算公式为：RS=RL接×RL弯×RJ强×RS刚×RS强。

3.2 可靠性优化设计模型

综合考虑零部件的尺寸、强度、重量等因素，利用概率统计学设计可靠度实验，并得出最优数据，实现系统的较高可靠性。图2为可靠性优化设计模型的算法流程。

首先，确认目标函数。变速器齿轮系的体积和传动负荷是对多变速器可靠度影响较大的因素，因此选择体积和传动负荷作为研究目标。变速器的体积减小，有利于汽車造价的降低，另外重量集中有利于汽车行驶过程中整体的稳定。齿轮重合基础大于1，而且参与啮合的齿数越多，齿轮件传动的重合度就越大，将载荷能力分配到较多的齿数上，可以减轻单个齿数的动载荷量，减少噪音的产生和摩擦损耗，提高传动机构的稳定性和传动可靠性。然后，选择设计变量。零件部的多种尺寸、规格等都属于变量，可以选择齿轮系的五档变速比、参与啮合的齿轮数、齿宽等作为变量进行设计。最后，确定约束条件。在可靠性设计中，参数的设计都有约束条件，像变速器五档传动比之间比值的约束、齿轮系间参与啮合的齿轮数约束、变速器组件最大载荷力约束等[4]。

3.3 变速器轴可靠性优化设计

汽车结构尤其是变速器传动机构中轴的结构都较为复杂，轴颈、轴肩、中间轴等，汽车整体可靠性设计要充分考虑轴的承受能力，在此基础下将变速器传动机构向轻量化改进。缩短轴之间的距离可以增加其承重能力，提高轴承的工作性能。动力从发动机经输入轴进入变速器，带动齿轮将动力传输到输出轴，这一过程中，每部分轴件的刚度都非常重要。轴的扭转角度、轴截面偏转角度都影响到变速器的可靠性。阶梯轴的复杂程度相对较小，可以借助阶梯轴完成等截面轴的作用。轴结构的截面强度和受力变化都是正态分布，因此对变速器轴的可靠性优化要充分结合轴的特殊结构，以更好分析轴组建每部分的受力情况和自身的承载力情况，计算出力矩大小及受力方向，优化弯矩、转矩以及轴径的设计，实现变速器轴的较高可靠性。

3.4 联接可靠性优化设计

汽车变速传动结构是一个复杂的整体，因此需要将各部分很好地联接起来，为满足联接可靠性要求，应从整体的配合度出发，综合考虑到各零件的形状、尺寸、耐磨度和强度，使用联接结构，保证其协调运转，不能只单独考虑某个零件的特性，众多机械零件结合起来，有很多种可能，运行结果是复杂多变的。为保证各零件的高效联接，需要借助螺栓、铆钉或键等固定件，保证联接以后各零件位置准确、配合度高、联接顺滑。当然也需要联接结构有很强的荷载力，可按照汽车机械传动机构实际特点通过钻孔、加工键槽等具体方式来进行承载力提升。最后，尽可能采用标准器件，降低联接失效的风险。

4  结语

变速器是汽车对行驶速度的关键控制机构之一，其可靠性很大程度上关乎到汽车整体的稳定性、变速顺滑性以及汽车使用寿命等。虽然当下自动变速式汽车产量正在增多，但是很多品牌的汽车都不会轻易放弃众多司机喜爱的机械式变速器。本文从多方面分析了机械式变速传动机构的可靠性，建设了变速器可靠性模型。当然，仍然有很大的进步空间有待于汽车研究者的深入探索，以更好地提升我国汽车机械式变速器传动机构的的可靠性设计水平。

参考文献：

[1]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，2017，18（6）：288.

[2]陈芳.基于可靠性的汽车机械式变速器变速传动机构设计[J].微型电脑应用，2020，36（02）：138-140.

[3]杨铸.探析汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].时代汽车，2020（12）：81-82.

[4]李玉柱.汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].时代汽车，2018（12）：85-86.