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汽车机械式变速器多目标可靠性优化设计

2022-01-17陈康

内燃机与配件 2022年2期
关键词:变速器

陈康

摘要:本文选择以我国汽车的实践应用情况为根据,切实根据汽车有关动力性标准,在保障零件刚度可靠性以及强度的前提之下,根据变速器齿轮系体积最小,以及传动齿轮重合度最大为基础,构建起变速器多目标可优化设计数学模型,经过最终研究结果可以发现,本次教学模型的应用正确,同时选择多目标可靠性设计方式,能够最大程度上降低汽车变速器设计周期,同时充分降低其体积,并进一步完善传动平稳性能。

Abstract: This paper chooses the practical application of Chinese automobiles as the basis, practically according to the relevant automobile dynamic standards, on the premise of ensuring the rigidity, reliability and strength of parts, and based on the minimum volume of transmission gear train and the maximum coincidence degree of transmission gears, and constructs a multi-objective optimization design mathematical model of transmission. After the final research results, it can be found that the application of this teaching model is correct, and choosing the multi-objective reliability design method can minimize the design cycle of automobile transmission, at the same time fully reduce its volume, and further.

關键词:汽车机械式;变速器;多目标可靠性优化

Key words: automobile mechanical type;transmission;multi-objective reliability optimization

中图分类号:U472.43                                   文献标识码:A                                  文章编号:1674-957X(2022)02-0014-03

0  引言

作为汽车构成中的关键部件,变速器性能的好坏将在很大程度上影响到汽车的经济性以及动力性。同时其也在很大程度上影响到汽车能够保证平稳运行。但在实践应用中,机械式变速器也拥有许多缺点,例如操作缺乏便捷性、换挡冲击力相对较大、汽车空间占用较大等一系列缺点。

1  汽车机械式变速器

对于汽车机械式变速器而言,其在汽车行驶过程中的主要作用,是使驾驶员能够在驾驶过程中依托操作杆,使不同齿轮位置变发生变动,并在这一过程中,充分实现差异化速度的传递。在汽车机械式变速器的诞生时期,其档位选择空间相对较少,对于驾驶员的操作要求也相对较高。自上世纪五十年起,拥有五个档位的汽车变速器正式面世,这一变速器应用模式一直持续至今。对于汽车机械师变速器本身而言,其内部存在的齿轮组是无法被移动的,其中每一齿轮的齿数都有着各自的对应档位,齿轮适量在不同档位下的数量差值始终不变。另外,汽车变速器的另一个关键功能,是提供差异化操作效果的轴杆传动比,以此为基础能够创造与之相对应的轮轴转动速度,达到汽车自由切换驾驶速度的目的。此外,其对于汽车行驶过程中的稳定性也提出了要求,实际要求如下所述:

首先,机械式变速器必须在发动机转向不出现变化的前提下,充分完成车辆的动态操作,包括前进、后退等。当变速器处于离开状态时,应当保障汽车维持在空挡状态,并自动切断发动机的扭矩传输,保障汽车可以实现迅速、精确换挡。这样的机械式变速优点涉及到多个方面,特别是其由于制造工艺相对成熟,投入成本较低,因此机械式变速器也逐渐成为了大部分汽车的零用部件。

2  汽车机械式变速器存在问题

首先,在常规情况下,汽车整车的构成设计工作,应当依托车体外形、汽车品牌性外观表示等多位主要参考根据,其次,汽车内部各个零部件共同组成的单元系统是否具备合理性,则是汽车结构优化过程中的设计确认点。最后,汽车的动力系统能否为汽车的形式提供优秀的动力输出。这三个方面的因素是汽车设计过程中需要重点考虑的因素。这也意味着汽车机械式变速器也同样要遵循上述总体原则进行设计。现阶段,国际汽车行业的发展趋势,逐渐面向着节能减排、轻量化、科技化的方向发展,而机械式变速箱的应用优势,就在于其拥有改变发动机速率输出的可靠性以及平滑性。变速器的未来发展需求同样是保障汽车在实现变速的基础之上,使其稳定性得到提升。因此现代机械工业设计过程中,必须根据各个机械式变速器的细节以及机械点等展开综合考虑,这一过程中得出的测量数值将会影响到最终整体运作的效果。但立足于现状来看,现有的机械式变速器依然存在测试过程受限于科技水平,无法达到设想中的理论要求。同时零部件、车体等方面的设计过程中会对变速器设计造成制约。

3  机械式变速器设计特点

在实践设计过程中,应当重视机械式变速器的动力要求,保障其能够充分满足设计标准,并确保其可以用于实践当中[1]。目前阶段,我国的机械式变速器主要应用于商业用车或是货运卡车当中,因此研究人员也要注意考虑这一部分实践情况,通过这样的方式保障发动机能够与机械式变速器之间得到默契配合。通过这样的方式进一步帮助车辆获得充分的牵引力,切实提升汽车的承重能力[2]。另外协调性也是设计过程中的一个重点,现阶段,我国许多驾校依然在沿用传统的教练车,也就是应用机械变速器的汽车进行教学,因此必须保障其具有较强协调性。才能最大程度上保障学习者可以在练习的过程中,充分控制车辆。最后,汽车具备有较强的安全性和稳定性,同样价格相对较低[3]。

4  汽车机械式变速器优化设计

本次设计过程,遵循采用先进科学技术的基本理念,进一步使汽车的基础性能获得提升,与此同时将数字化计算与传统的汽车零部件结构等展开充分融合,在保障汽车安全性的同时,进一步提升汽车的稳定性及舒适性。

4.1 设计尺寸参数优化

4.1.1 齿轮参数确认

在这一过程中首先针对初选模数以及中心距离进行确认[4]。由于机械式变速器自我重量,可能由于中心距离的不断提升而提升,这就导致模数很有可能会影响到齿轮强度,也正是由于这一原因,在实践过程中,设计人员经常选用公式初选的形式,来展开最终模数参数的确定工作。其次,针对齿轮宽度、压力角进行选择,因为常规情况下,压力角将始终处于变化的状态,可能在很大程度上这个致使压力角的宽度受到影响。在压力角不断提升的情况下,就会使后续齿抗弯的实际强度变大。切实按照供水展开最终计算后能够得知,如果齿角相对较大,则可能导致负载等增加,导致最终齿轮承载力降低。最后,通过齿轮齿数的确定,展开针对变为系数的计算,同时充分应用螺旋角的斜齿轮,能够切实提升齿轮的重合力度,其不但能够进一步降低噪音的出现,同时也能切实提升其最终强度,并相应的针对轴承的轴向力进行计算,最终得出齿数的计算结果。同时通过分析齿轮实现的原因,进一步应用针对性措施来提升其承载力。

4.1.2 尺寸参数、应用强度计算

由于尺寸参数的数量相对较多,因此在这一过程中需要切实根据实践情况,进一步计算齿轮的应用参数(其中包括分度圆直径、变位系数等)。通过这样的方式进一步保障最终计算的准确率。

另外,想要进一步针对机械式变速器的齿轮有效性进行判断,常规情况下可以选择使用齿轮强度计算的方式开展。如果齿轮损坏或是故障问题发生,齿轮可能会出现胶合或折断等问题与出现,因此必须切实提升池面的抗点蚀能力,充分保障齿轮的平稳运行。通过应用有关公式能够发现,动力在保持传递的过程中,持续必须保证在悬臂状态下。这样的举措能够保障齿轮可靠性得到提升的同时,切加强汽车机械式变速器的平稳性能。

4.2 机械式变速器设计模型

现阶段,我国相关设计工作的重点研究方向是强量化设计工作。立足于这一背景下,技术人员在展开设计工作过程中,往往会选择应用轻量化设计的形式,但这种方法最明显的弊端,就是会在很大程度上影响到汽车的可靠性,这在实践中具体表现为汽车频繁出现故障。为了充分针对轻量化与可靠性之间存在的矛盾问题进行探讨,实际展开设计的过程中,必须清晰探索出这二者之间的密切联系。在针对轻量化进行设计的过程中,其中最关键的内容是降低变速器齿轮系统的体积,因此这里将目标函数的内容选择为齿轮系统当中齿轮体积的和,在这一过程中,齿轮的宽度表示为bi,另外齿轮分度圆的直径则由di表示,由此能够得出:

尺寸的转动过程实践应用的齿轮类型,在常规情况下形状表现为圆柱形。这就致使当后续要交与齿轮的分度圆模式之间呈现出咬合的形态之后,可能会导致一档与倒挡之间的齿轮会应用完全相同的模数值。更严重的可能会使倒挡齿轮自身体积受到倒挡传动比例的影响。立足于这一问题下,设计人员在实践展开工作时,应当以倒挡的传动比作为基础并展开后续计算,通过这样的方式来对倒挡其他类型参数情况进行明确。除此之外,在清晰了全部设计变量之后,應当针对有关约束条件的构建工作展开完善,同时以各个目标函数作为基础求出最终解,以此为前提来达到降低机械式变速器系统体积的根本目的,为后续工作的开展奠定良好的基础。

4.3 约束条件的明确

4.3.1 最大传动比的约束

能够导致汽车传动系统最大传动比受到约束的条件很多,例如,汽车的附着力、最大附着度等,必须保障汽车常规行驶的过程不可出现打滑情况。因此本文设置汽车主减速器的传动比为io,另外一档传动比设置为i1。这二者之间乘积表示为最大传动比,同时选择路面的附着条件以及驱动轮作为实际约束条件,此处可以得出下列公式:

在公式当中,r1可以实际表示为车轮的实践滚动半径;Φ则表示为路面或是驱动轮的附着性条件;汽车发动机的实际转矩表示为Temax,另外,Fn则表示为驱动轮上方的反作用力,实际表现为传动系的机械效率,在常规情况下,其取值一般为0.835。

4.3.2 约束中心距

中心距会在一定程度上影响到车辆机械式变速器的实际体积,因此在这一过程中应当针对其展开充分约束,进一步保障汽车能够最大程度上完成轻量化设计目的,通过这样的方式保障实际设计的强度、内容等可以切实保障实践工作需求。在此之后,应当尽可能保障中心距值被降低,在这一时刻变速器的实际传动比较大,另外也要保障发动机始终处于较大转矩过程,实践公式表示为:,在这一公式中A表示为中心距。

由于齿轮转动过程中的轴向系数大于等于一,因此为了充分保障齿轮转动的平稳性,可以切实达到如下的约束条件公式:

在常规情况下,必须保障常规齿轮的宽度大于其他齿轮的副齿轮宽度,通过这样的方式进一步保障传动工作的平稳性,与此同时进一步延长齿轮的实际应用寿命。在这一过程中,能够使汽车的实践应用寿命得到延长,进一步保障汽车的稳定性以及安全性得到提升。

5  机械式变速器多目标优化设计结果研究

5.1 机械式变速器多目标优化方式

现阶段,能够应用于多目标优化求解工作的方式相对较多。本文选择应用综合目标方式,进一步针对车辆机械式变速器展开优化型设计。应用这一方法的目的,是为了将原本的多目标性优化问题进行转换,最终形成统一性目标函数问题,与此同时应用单目标函数优化的方式对其进行求解。实践过程如下所述:

首先,提前给予每一目标问题合理的期望值,如果最终表现出的结果能够满足有关约束条件,并且求解值与期望值相近,则可以由此形成评价函数。另外,各个单元当中的优化值倒数为权系数,通过应用W1、W2对各个目标函数的加权系数进行分别表示后可以得出:

minF(X)=W1F1(X)+W2F2(X)

W1=1/F*1(X)

W2=1/F*2(X)

在这一公式当中,F1(X)以及F2(X)分表用以表示这两个目标函数代表的最优值。

5.2 机械式变速器多目标优化设计分析

为了充分提升优化设计的进度,本文主要通过应用多重循环的方式,进一步针对当前阶段机械式变速器当中出现的离散变量等问题进行解决。但在实践优化的过程中,应当首先针对目标函数的最优值展开优化,进一步保障目标函数中的加权系数得到解决,通过应用统一的目标函数来针对不同档位的传动性齿轮展开优化,实践得到的优化结果,如表2所示。

根据表2可以发现,经历优化设计工作后得出的齿轮法向模数、齿轮数等数值出现了降低,这也意味着本次多目标优化设计过程中,设置的各类型参数具备充分的合理性。同时以优化后得出的齿数、齿轮宽度等数据与优化工作开展前的数据进行对比后可以发现,齿轮的各项数据都呈现出不断降低的趋势。而机械式变速器齿轮在经历过优化设计后,其体积也逐渐降低,通过这样的方式从根本上保障了车辆变速器具备足够的可靠性。此外这一设计还使机械式变速器的可靠性、轻量化之间存在的设计矛盾得到了有效平衡,充分改善了原有齿轮中心距的变化情况不相同的问题,使车辆在行驶过程中的安全性获得了保障,并在潜移默化中使车辆的应用寿命获得提升,带动未来汽车行业持续健康发展。

根据优化过后的设计数据与传统数据相比较后能够发现,在经过多目标可靠性优化设计工作后,其中机械式变速器与车辆系统重合度得到了提升,变速器的体积也得到了降低,这将在极大程度上提升变速器齿轮系统应用过程的实践性,同时能够针对车辆机械式变速器设计过程中可靠性存在故障问题进行探析,具备有较强的实践意义。

6  结论

在我国经济持续发展的过程当中,由于人们生活方式的持续改变,也致使人们对于汽车应用性、可靠性的标准越来越高。机械式变速器是导致汽车稳定性被影响的关键因素,因此应当充分针对其可靠性展开综合优化设计,通过严格把控优化程序、明确优化设计工作的未来路径,科学设置齿轮宽度等相关约束条件,进一步提升机械式变速器的合理性,保障其能够充分提升汽车行駛过程的安全性。

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,2019,050(010):157.

[2]冯嘉珍,张建国,邱继伟.可靠性多目标优化设计的自适应行为博弈算法[J].计算机集成制造系统,2019,025(003):736-742.

[3]李皓,王震虎,李落星,等.基于二次优化法的铝合金车架可靠优化设计研究[J].机电工程,2019,036(011):1119-1125.

[4]雷芳华,潘洁宗.改进遗传算法的汽车悬置系统多目标优化设计[J].汽车工程师,2020(05):22-25.

[5]郑福洪.机械式变速器的设计及试验研究[J].机械管理开发,2021,36(05):23-24,87.

[6]祁炳楠,杨刘权,郭晓斌,张利鹏.无离合器机械式自动变速器换挡过程的扭矩控制[J].动力学与控制学报,2021,19(03):53-59.

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