汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计

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摘 要在交通行业快速发展的推动下,我国汽车行业得到了高速的发展,车辆设计制造技术不断进步.随着人们的生活物质水平不断提高,对汽车的需求量越来越大,给汽车变速器的设计制造提出了更高的要求.变速器作为企业传动机构中重要的组成部分,直接影响着汽车的动力性、操作性、轻便性以及经济性.本文就汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性设计进行了研究,并提出了相关的优化措施,从而更好的满足人们日渐增长的汽车需求,实现我国汽车更加安全、稳定的运行.

关 键 词汽车机械式变速器；传动机构；可靠性优化设计

中图分类号U463文献标识码A文章编号1674-6708（2014）122-0195-02

0引言

汽车作为目前我国最重要的交通工具之一,对人们的生活、工作带来了较大的便利.从汽车采用内燃机作为动力装置以来,变速器成为了汽车传动机构最重要的组成部分.变速器不仅能改变汽车的传动比,扩大车轮距和转速的范围,还可以使发动机工作在最有利的工况范围内,对汽车整体的结构稳定以及实用性能有着不可或缺的作用.机械式变速器具有寿命长、稳定性高、成本低等优势,且得到了广泛的应用,但是其也具有体积大、换挡冲击大等劣势,如何改善机械式变速器的结构与使用性能,提高其传动的可靠性,成为了汽车设计人员和技术人员共同关注的热点.

1汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计模型

对于汽车来讲,变速器对汽车的操控性、安全性有着直接的影响,变速器的可靠性设计,不仅要实现换挡传动的作用,还应该确保汽车行驶过程中的稳定安全性.基于汽车机械式变速器,对变换器零件的尺寸、材料以及载荷等进行分析,通过多次试验确定优化设计的结果.

1.1可靠度的分配

为了确保汽车传动结构中机械式变速器变速的可靠性,需要对其可靠度进行分配,往往分配工作需要在技术水平、复杂程度、费用情况以及工作环境等因素的深入考虑下进行.首先需要假设零部件故障是相对独立的,其寿命服从指数分布,其次是把机械式变速器变速传动机构可靠度分配给变速器轴、变速齿轮、花键以及轴承.其速器轴可靠度分解为疲劳刚度（Rs刚）和轴疲劳强度（Rs强）,变速齿轮可靠度分解为齿轮接触疲劳强度（Rc接）和齿轮弯曲疲劳强度（Rc弯）,花键可靠度分解为疲劳强度（Rj强）,那么机械式变速器变速传动机构可靠度分配模型为：Rs等于Rs刚*Rs强*Rc接*Rc弯*Rj强.

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往往是以变速器体积最大和齿轮传动复合度最大化为目标函数,当然此目标函数的确定是变速器满足汽车动力安全性和稳定性基础上进行的.变速器体积越小,越节省制造原材料,产品制造成本相对较低.齿轮传动重合度越大,传动就越平稳,噪音就越小,有利于传动中动载荷量的降低.

2）选取设计变量

汽车机械式变速器齿轮系统设计涉及到多个参数,本文只选取5个参数作为优化设计中的设计变量,即常啮合齿轮齿数、啮合齿轮模数、各档变速比、螺旋角以及齿宽.

3）确定约束条件

在此优化设计中,确定的约束条件有以下几个方面：（1）变速齿轮可靠性约束；（2）变速器各档传动比比值约束；（3）变速器最大传动比约束；（4）边界约束；（5）变速器中心距约束；（6）中间轴轴向力平衡约束.

1.3变速器轴的可靠性设计

汽车机械式变速器轴主要包括轴肩、轴颈、退刀槽过渡段以及齿轮段,变速器的轴结构比较复杂,在对其可靠性进行优化设计必须满足轴强度的可靠性,尽量节省设计制造材料.为了更大程度提高轴承、花键的工作性能,应该尽量减少轴径.在汽车变速器的轴系统中,往往第二轴的结构最为复杂,工况最为恶劣.

1）动力输出轴刚度可靠性设计

变速器动力输出轴刚度可靠性设计通过由轴扭转角、挠度以及轴截面偏转角组成,轴刚度可靠度分配是：Rc刚等于Rc扭*Rc挠*Rc偏.同时可以假设三者都是服从正态分布的随机变量.

2）动力输出轴静强度可靠性设计

变速器轴的结构相对比较复杂,可以将简化阶梯轴,逐渐被等截面轴所取代.由于轴在危险截面强度分布和应力分布往往呈现正态分布,那么动力输出轴静强度可靠性设计应该首先画出轴的结构示意简图,然后对轴的各部位进行受力分析,即各齿轮受力分析,得出相应的受力和力矩,绘制弯矩、转矩图,确定轴在危险截面的强度分布情况,按照规定的可靠度计算出轴径.

3基于MATLAB多目标可靠性优化设计

3.1MATLAB工具箱

MATLAB可以对线性、非线性、半无限等问题进行准确有效的求解,具有强大的优化工具箱.对汽车机械式变速器变速传动机构可靠性进行优化设计时,先对单目标进行优化计算,得到体积与重合度最优值,再进行联合优化计算,其结果表明斜齿轮多目标优化设计是最科学、最高效的设计方法.

3.2齿轮参数圆整

斜齿轮齿数必须为整数,使得选取的齿轮法向模数必须符合国际标准值,同时一对啮合的齿轮的齿数不能含有公因数,并且大齿轮齿数不能是小齿轮的整数倍,因此需要进行齿轮参数圆整的优化处理.为了避免齿轮参数圆整引起的一些问题,即齿轮弯曲强度不足、接触强度不够等,可以通过齿轮变位进行处理.

3.3程序调试的优化

对程序进行调试的过程为：通常对约束条件、变量以及目标函数不做改变,只改变初始值,然后对比分析不同初始值下优化结果是否相同.另外,不改变变量和目标函数,去掉某个约束条件,对比该约束条件存在与否的优化结果,明确优化分析对约束条件的敏感程度.通过对程序调试的优化,可以发现对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.

4结论

变速器作为汽车最关键的零件之一,对汽车整体结构的稳定性以及使用安全性能有着决定性的作用,必须对机械式变速器变速传动机构的可靠性进行研究,构建相关的优化数学模型,利用MATLAB优化工具对结果进行优化,从而提高汽车机械式变速器可靠性设计应用水平,促进我国汽车市场更好更快的发展.