尤建祥

（盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000）



汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计

尤建祥

（盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000）

摘 要：随着交通行业的发展推动，我国的汽车行业也随之发展迅猛，对于汽车的设计制造也不断优化。汽车的变速器是汽车传动系统的重要组成部分，它对汽车的操控性、动力性、以及传动的平稳性和效率都有着直接的影响。由于汽车工业的快速发展以及汽车的设计、开发和应用，汽车使用者们对汽车变速器的设计要求也日趋变高。为了更快的提高我国汽车的稳定性和安全性，本文通过对汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性设计研究，从而提出一些相关的优化措施，进一步更好的满足用户对汽车的需求。

关键词：汽车机械式变速器；变速传动机构；可靠性设计；MATLAB

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.020

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-57-03

前言

汽车作为我国目前最重要的交通工具之一，给人们的生活、工作都带来了很大的便利。自从汽车采用了内燃机作为动力的装置，汽车的变速器就成为了汽车传动机构最重要的组成部分之一。而汽车变速器的使用不仅能够扩大车轮距离和转速的范围，改变汽车的传动比，还能够让发动机在最良好的工矿范围以内进行工作，这对于车辆整体结构的稳定性和实用性都有着不可缺少的重要作用。汽车的机械式变速器，具有成本低、寿命长、稳定性好等优势，并且也得到大范围的使用，但是机械式变速器也存在一定的劣势，例如：体积大以及换档冲击大等。对于怎样改善机械式变速器结构，增强使用性能，提高传动可靠性，是车辆的技术人员和设计人员共同关注的问题。

1、汽车机械式变速器变速传动机构可靠性的优化设计

变速器对于车辆使用的安全性和操控性都有着直接的影响，针对汽车变速器的可靠性设计，不单单是要实现换档传动的作用，更重要的是应该保证在车辆行驶过程中的稳定性和安全性。对于车辆的机械式变速器，通过对变速器的材料、零部件的尺寸以及载荷等进行分析和多次试验，确定其优化设计的结果。

1.1 汽车变速器可靠度的分配

通过对汽车变速器的可靠度进行分配，欧诺个来确保汽车传动结构中机械式变速器的可靠性能，而对于分配工作，往往需要在费用情况、技术水平、复杂程度以及工作环境等因素的详细考虑下进行。第一步，先假设变速器的零部件故障时相对独立的，并且它的寿命服从于指数的分布；接下来，需要把近些式变速器变速传动机构可靠度分别分配给花键、轴承、变速器轴和变速齿轮。其中花键可靠度分解为疲劳强度，变速器轴可靠度分解为疲劳刚度和轴疲劳刚度，变速齿轮可靠度分解为齿轮接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度。

1.2 变速器齿轮系多目标可靠性优化设计数学模型

（1）建立目标函数

变速器齿轮系多目标可靠性优化设计数学模型多数时候都是以齿轮传动复合度最大化和变速体积最大化为目标函数，而这个目标函数也确保是变速器能够满足汽车动力的稳定性和安全性的前提之下所进行的。对于产品的制造成本来说，变速器的体积越小就越能节省原材料。如果齿轮传动的重合度越大，噪音就会越小，传动也就会越平稳，这样有利于降低传动中的动载荷量。

（2）选取设计变量

其实汽车机械式变速器齿轮系统的设计关联到多个参数，但是本文只是选取了其中五个参数，以此来作为优化设计中的设计变量，即齿合齿轮模数、常齿合齿轮模数、格挡变速比、齿宽以及螺旋角。

（3）约束条件的确认

在这个优化设计中，其确定的约束条件分别是：变速器各档传动比比值约束；变速齿轮可靠性约束；边界约束；变速器中心距约束；变速器最大传动比约束和中间轴轴向力平衡约束。

1.3 变速器轴的可靠性设计

汽车的机械室内变速器轴主要包括轴颈、轴肩、齿轮段和退刀槽过渡段。变速器的轴结构非常的复杂，需要先满足轴强度的可靠性，才能进一步对其可靠性进行优化设计，有分寸的节省用于设计的制造材料。通过尽量减少轴径的方法，从而更大程度的提高花键和轴承的工作性能。而且在汽车变速器的轴系统中，基本上最为复杂的都是第二轴的结构，其工况也是最为恶劣的。

（1）动力输出轴静强度可靠性设计

由于汽车变速器的轴结构相对有些复杂，所以我们应该用截面轴逐渐的取代简化阶梯轴。因为轴在应力分布和危险截面分布基本上呈现正态分布，所以说，对于动力输出轴静强度可靠性设计首先应该画出轴的结构意简图，然后就对轴的各部位进行受力分析，得出向相应的受力和力距，再绘出转矩和弯距图，确保轴在危险截面的强度分布情况，根据规定好的可靠度计算出轴径。

（2）动力输出轴刚度的可靠性设计

由挠角、轴扭转角和轴截面偏转角组成了变速器汽车变速器动力输出轴刚度可靠性设计。所以，轴刚度的可靠度分配是：Rc刚=Rc扭*Rc挠*Rc偏。并且还可以假设，三者都是服从于正态分布的随机变量。由于变速器的每个档位的受力大小和位置都有所不同，所以应该分别进行计算设计，但是其计算方法基本上都是一致的。

2、基于MATLAB多目标可靠性优化设计

（1）MATLAB工具箱

MATLAB是于1984年由Math Works公司所推出的一套科学计算软件，分为总包和若干个工具箱。而该软件不仅用户界面良好，并且还具有强大的扩展能力。MATLAB本身具有强大的优化工具箱，它可以准确有效的对线性、非线性以及半无限等问题进行求解。在对汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性进行优化时，应该在此之前先对单目标进行优化计算，得到体积和重合度的最优值之后，最后在进行联合的优化计算。这样得出的实践结果证明最高效做科学的设计方法无疑是斜齿轮多目标的优化设计。

（2）齿轮参数圆整

由于斜齿轮的齿数必须是整数，这就使得选取的齿轮法向模数就必须符合国际标准值，同时又因为一对齿合的齿轮齿数不能够含有公因数，并且大齿轮齿数又不能是小齿轮齿数的整数倍，所以就需要展开齿轮参数圆整的优化设计处理。而齿轮接受强度不够和齿轮弯曲强度不足的问题，可以通过齿轮变位来进行处理，这样可以有效的避免齿轮参数圆整引起的一系列问题。

（3）对程序进行调试优化

本文对所编写的多目标可优化设计程序进行了调试，而调试的主要目的是：用于验证本程序是否能够在各种输入情况下完成优化功能；对优化问题进行进一步的研究，从而得到优化问题对于各个约束条件的敏感程度。

对于程序进行调试的过程为：通常对变量、目标函数以及约束条件不做任何改变，单单只是改变它的初始值，下一步进行其对比分析，

在不同初始值下的优化结果是否是相同的。另外，在不改变变量和目标函数的同时，而去掉某一个约束条件，然后进行对比，对比这个约束条件是否存在的优化结果，以此来明确优化分析对于约束条件的敏感程度。通过对程序调试进行优化，使我们不难发现，对于其优化结果的影响最大的是一档齿轮小齿轮的弯曲疲劳强度。

3、总结

跟随现代交通科技的快速发展，人们对于汽车产品的性能要求也越来越高，而以此同时也是为汽车产品的设计提供了新的理论和新的方法。汽车的变速器作为汽车最重要的零部件之一，对于汽车整体结构的稳定性能和用户使用的安全性能都有着决定性作用。需要对汽车机械式变速器传动机构的可靠性进行深入的研究，通过利用MATLAB优化工具进行结果优化，构造与其相关的优化数学模型，进一步提高汽车机械式变速器可靠性设计的应用水平，有效的促进我国汽车市场的平稳发展。

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Mechanical transmission reliability optimization design variable speed drive mechanism

You Jianxiang
（Panjin vocational and technical college, Liaoning Panjin 124000）

Abstract:with the development of the transportation sector, China's auto industry has been developing rapidly, the car's design and manufacturing has been optimized. Automobile transmission is an important part of automobile transmission system, it for vehicle handling, performance, and has a direct impact on the stability and efficiency of the transmission. Due to the rapid development of the automotive industry and automotive design, development and application of car users to the design requirements of auto transmission is high. Faster in order to increase the stability and safety of cars in our country, this article through to automobile research of reliability design of mechanical transmission gear transmission mechanism, so as to put forward some relevant optimized measures, further better meet user demand for cars.

Keywords:mechanical transmission; Variable speed drive mechanism; Reliability design; MATLAB

作者简介：尤建祥，硕士研究生，实验师，就读于盘锦职业技术学院。专业：车辆工程。

中图分类号：U463.2

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-57-03