汽车变速器可靠性设计研究
摘要:汽车变速器是整个汽车传动系统中相对关键的一个部件，其设计的好与坏将直接影响汽车实际使用性能，文章对汽车变速器的可靠性设计做了理论上的推导，最后还对优化的设计方法的具体运用提出了一个可操作框架。
关键词:机械式变速器；可靠性；优化设计
0前言
汽车的发展史上，机械式齿轮变速器有着主要的地位，它结构简单、使用寿命长，瞬时传动系数为一个常量、效率高，机械结构简单、生产工艺成熟通用，保养便捷。因此机械式齿轮变速器是目前运用广泛的汽车变速器。随着汽车工业的不断发展，新技术的不断运用，自动变速器和无极变速器在汽车上也大量运用，它们的操作简易的优点十分明显，使得机械式齿轮变速器的市场占有率逐步下降。但近来AMT技术的出现又为机械式齿轮变速器带来了新的活力，因此对于机械式齿轮变速器的研究还是有一定意义的。针对以上分析，文章对汽车机械式变速器的可靠性设计做相关研究[1]。
1相关研究
1.1机械的可靠性设计机械产品可靠性设计分析是指为满足机械产品的可靠性而进行的功能性设计。目前世界上已广泛使用的如故障模式及影响分析、故障树分析、可靠性预测、概率设计等先进设计方法及手段在国内的可靠性设计方面应用还不充分。分析系统研制阶段的主要任务，并结合工程实际中开展可靠性设计分析工作的经验可知，各种可靠性设计分析工作主要集中在技术指标论证阶段、方案论证阶段和工程研制阶段，包括可靠性要求制定、可靠性建模、预计分配、故障模式影响、危害性分析、故障树分析和可靠性仿真分析等。可靠性设计分析工作从宏观上可以分为定性设计分析和定量设计分析，可靠性定性分析方法相对应用广泛，并且得到了工程验证，而定量设计分析的方法则是机械可靠性设计分析中的难点和薄弱环节，特别是在数字化环境中如何利用CAD/CAE工具进行定量的机械可靠性参数设计也是今后重要的发展方向[2]。
1.2汽车变速器相关研究对机械式变速器来说，在最大传动比的情况下，设计时需要将负荷最大爬坡度、低档最大动力输出、最大附着力输出以及最低稳定车速输出当作设计的约束条件。汽车机械式变速器最小和最大传动比确定后，还需要确定中间各档的传动比。通常，中间各档传动比的确定需要考虑较多的因素，实现起来有一定的难度，设计者一般采用以往的设计经验作为设计依据。从理论上来说，档位增多可以优化汽车的整体动力燃油比，但如果变速器前进档位超过5个时，会使整个变速器结构复杂化，操作者的操纵也相应变得复杂，因此，机械式变速器档位通常不超过5个。从以上分析发现，对于变速器每个档位具体传动比的分配目前还没有一个可以量化、精确化的操作方法，都是经验来确定的具体比值，不符合设计过程的严谨性，存在明显缺陷。伴随着设计方法的主观因素大，在评价设计方法上，同样还没有一个量化可行的评价模式。文章针对以上问题，通过理论推导，提出了一种机械式变速器的优化设计方法。
2汽车变速器可靠性优化设计
2.1目标函数中心距最小，是为了最小化一对齿轮间的径向尺寸，从而采取实际中心距最小作为优化目标的设计思路，其目标函数为f=acosαt/cos’αt。在上式中a为理论值，αt为端面压力角值，cos’αt为端面啮合角值[3]。最大重合度，是以给定的中心距为前提，齿轮啮合平稳煤炭技术基本混合遗传算法流程框架的条件下，目标使一对斜齿圆柱齿轮拥有较大的度量值，其目标函数为f=1/εα+εβ1 1。上式中：εα为端面重合值，εβ为轴向重合值。体积最小，是一般机械设计的基本目标，具体到机械式齿轮变速器上就是要求在一定承载能力前提下，使一对齿轮体积为最小。其中目标函数为f=π4×d2a1+d2a21 1×b，式中da1是小齿轮分度圆的直径，da2是大齿轮分度圆的直径，b是齿轮宽度。驱动功率极限发挥率，是在结合每个档位使用频率不同的情况下，不同的使用条件对速比值，其目标函数为Pdlim=Pemaxvmax-vmin1 1-ni=1ΣwiwAiPemaxvmax-vmin1 1，上式中Pdlim为功率发挥极限率，Pemax为发动机的最大输出功率，vmax为最大车速，vmin为最小车速，Ai为计算系数，wi为第i档的利用率系数，w为各档利用率系数平均值。
2.2约束条件
2.2.1最大传动比约束条件最大传动比定义为：变速器I档传动比i1和主减速器传动比i0的积。它受汽车路面的附着力和汽车最大爬坡度两个条件影响，其推导如下：由驱动轮与路面附着条件得：i1≤G2φrrTemaxi0ηΤ；得到约束条件：g11X 1=i1-G2φrrTemaxi0ηΤ≤0；根据最大爬坡度：i1≥mg fcosαmax+sinαmax1 1rrTemaxi0ηT；则有：g21X1=mg fcosαmax+sinαmax1 1rrTemaxi0ηT-i1≤0；在以上条件中，cosαmax为最大爬坡度，取值为16.7°;g为道路滚动系数；φ为附着系数；ηT为机械效率；G2为最大载荷；m为汽车质量；Temax为发动机最大转矩；rr为车轮半径。
2.2.2中心距A约束条件中心距是机械式齿轮变速器的一个关键性能指标值，它影响着变速器的最终设计体积。其设计思想是：在保证设计强度的前提下，满足发动机最大转矩与变速器最大传动比的值最大的条件，要尽可能的减小中心距A的值。有以下经验公式：A=KA•Temaxi1ηg3姨于是得到A的约束条件为：g111X1=KAmin•0.96Temaxi13姨-mn1z1+z21 12cosβ1≤0g121X1=mn1z1+z21 12cosβ1-KAmax•0.96Temaxi13姨≤0
2.2.3斜齿轮轴向的重迭系数在设计时如果要满足斜齿轮传动平稳性，在量化上就体现出斜齿轮传动轴向重迭系数大于或者等于1。即：εβ=bsinβπmn≥1，则有以下约束条件：g231X1=πmn1-bsinβ1≤0；g241X 1=πmn2-bsinβ2≤0；g251X 1=πmn3-bsinβ3≤0；g261X 1=πmn4-bsinβ4≤0；g271X 1=πmn5-bsinβ5≤0。2.2.4可靠性条件机械式齿轮变速器的每对啮合齿轮都必须满足接触抗疲劳可靠性条件，单一的齿轮齿根弯曲均需要满足疲劳强度可靠性条件，所以齿轮的组合也需要满足疲劳强度可靠性条件。齿轮的可靠性约束条件参照GB 3480-2007要求。
2.3优化运用算法概述系统设计优化理论近几年发展迅速，对于约束问题的优化设计也层出不穷，如人工神经网络与数据融合等新技术、新理论的运用，使得优化设计更加科学。但它们也存在一定的不完善性，使其应用受到限制。许多诸如随机试验法、可行方向法等优化设计方法，虽然程序结构相对简单，不能全面解决优化问题，容易出现优化设计的返古现象。文章提出了一种混合遗传算法，它包括了遗传算法与传统优化设计法两者的优点，具有收敛快，运用范围更广的优点。
3结束语
随着科学技术迅速发展，人们对汽车的操作性要求的提高，系统设计理论的发展为汽车设计解决了许多设计难题。但是，在汽车变速器的设计上简单的用静态设计与类比设计。经过多年的实践发现，这些传统设计方法所设计的产品，在性能与成本等方面都有许多问题。因此，需要更多的加入信息技术在设计中的参与程度，最重要的是增加计算机辅助设计以及新理论、新方法的具体应用。
参考文献：
[1]胡朝峰，过学迅，汪斌.汽车变速器技术的发展与展望[J].汽车研究与开发，2007，（6）：56-61.
[2]张义民.汽车零部件可靠性设计[M].北京：北京理工大学出版社，2007，（9）：106～150.
[3]汪定伟，唐加福.遗传算法与工程设计[M].北京：科学出版社，2005.
