汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计
汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化
智能制造与设计今 日 自 动 化Intelligent manufacturing and DesignAutomation Today86 ｜ 2021.3 今日自动化2021年第3期2021 No.3本文提出了一种基于MATLAB 的多目标汽车机械变速器变速传动结构的可靠性优化方法，其中将机械变速器变速传动结构的内部零件可靠性和系统可靠性对比作为决策变量，使用标准间重要性相关性方法通过标准重要性得出不同目标的权重，并使用损失函数法制定目标函数，为最终用户提供最佳设计方案。
1 汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化意义在汽车结构设计中，机械式变速器具有寿命长、成本低、稳定性好的优点。
同时，也具有体积大、复杂度高和舒适性差的缺点。
由于市场竞争激烈，汽车制造商需要重新设计机械式变速器，以在竞争者中获得优势。
但是，要做到这一点，就需要一种系统的方法，允许人们考虑多个目标。
1886年，戴姆勒、迈巴赫和奔驰发明了他们的第一辆汽车，当时动力工程的先驱们已经开发出了能量传输所需的机械部件。
在汽车发展中起了重要作用。
汽车的动力传动系统保证了前进和倒退行程的启动、发动机加速和扭矩转换功能。
这些功能需要执行机构和移动元件来干预功率流，实现发动机转速和扭矩的转换。
第一辆专门为机动道路交通设计的三轮车只有一个齿轮，没有启动离合器。
为了让车运转起来，需要用飞轮推动或曲柄推动。
这辆奔驰三轮车的驱动装置是一个单缸四冲程循环，安装位置为984 cc ，输出功率为0.65 kW 。
本茨利用以下机械部件将发动机的动力传递到发动机上：发动机曲轴的末端装有飞轮，确保发动机平稳运转，也可用于曲轴发动机。
由于发动机是在车轴上建造的，一个斜齿轮以右角排列，在一个很小的空间内传递动力成为一个斜齿轮传动，这样就把转速稍微减少到一个中间轴。
最后，链传动使得速度进一步降低到动力车轴上。
从汽车起源开始的皮带和链传动逐渐被齿轮传动所取代。
今天，汽车发动机工作在一个特定的转速范围内，这个范围受怠速和最大转速的限制。
汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究
98AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计汽车机械式变速器的可靠性优化设计研究1 引言汽车变速器能够针对汽车前进中的运行速度进行灵活控制调节，从而使整个车辆能够维持一种正常运行状态。
汽车机械式变速器属于相对传统的调速方法，沿用至今。
随着科技发展，自动变速器以及无级变速器的诞生对汽车机械式变速器产生直接影响，为促进汽车机械式变速器持续发展下去，需要不断进行优化创新，提升汽车机械式变速器综合性能。
2 汽车机械式变速器分析2.1 汽车机械式变速器发展现状通过调查分析发现机械式变速器依然是当前汽车生产领域中广泛应用的变速器之一。
尽管其存在各种缺陷，比如操控复杂、体积规模大以及换挡冲击大等问题。
但机械式变速器在实际应用中依然存在各种优势，比如使用寿命长、具有较高的操作可靠性、传动效率高等，同时机械式变速器的生产成本较低，制造工艺成熟。
在当下设计工作中，高输出代表转速范围所形成最高动力和转矩。
基于该种情况下，相关设计者应该合理应用换挡装置，促进引擎转速和转轮保持相同速度。
因为技术限制，传统模式下的传动设计已经无法满足新时期汽车设计要求。
尤其是汽车零件设计者将关注重点转移到平顺性以及降低质量当中，设计者对于汽车燃料利用率和汽车重量更为关注。
在机械式变速器相关设计中引入可靠性优化设计方法，创建多目标可靠性优化设计模型，能够支持机械式变速器的优化设计。
2.2 汽车机械式变速器设计特征机械式变速器相关变速传动结构具体如下图所示。
传动模块作为整个汽车系统重要部件，机械式变速器是汽车领域中诞生最早的传统方法。
因为汽车传动系统主要是齿轮传统模式，因此相关传动比以及传动齿数都是一种固定数值。
设计者需要联系具体特征设计合理的机械传动优化方案。
设计者应该使机械传动系统维持较高运行功率，例如商业汽车以及货车对应机械传动系统，可靠性设计中，需要保证充足承压能力和荷载承受能力，可以和引擎系统互相匹配，实现牵引目标。
汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化
汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性优化在社会主义经济不断发展的背景下，我国汽车保有量随之提升，在此过程中，为了进一步满足社会大众对汽车性能所提出的较高要求，就需要强化对汽车变速器这一传动机构的重视程度，并进一步提升变速器的设計制造质量，q变速器的可靠性。
基于此，本文针对如何优化汽车机械式变速器变速传动机构的可靠性进行了探讨，并提出了对策，以供参考。
标签：汽车机械变速器；变速传动机构；可靠性；优化；对策0 前言当前，汽车已成为一种使用最为广泛且重要的交通工具，不仅满足了交通运输之需，同时也为人们带来了极大的便利，而在汽车行业迅猛发展的过程中，变速器的重要性随之凸显。
而为了进一步提升汽车结构的稳定性，并充分发挥出机械式变速器的优势性能，就需要结合当前汽车机械式变速传动机构所呈现出的劣势问题进行优化与完善，进而从根本上提升机械式变速器的设计质量与性能。
1 可靠性优化设计模型的搭建1.1 在可靠度的分配上在实际针对这一优化设计来搭建可靠性设计模型的过程中，需要从技术水平、成本费用以及工艺复杂程度等来实现可靠度的分配，在实际践行的过程中：要以零部件故障相对独立作为假设条件与前提，相应变速器的寿命与指数分布相符，在此基础上，将传动结构的可靠度进行分配，分别分配与变速器的轴、齿轮、轴承以及花键，而基于变速器轴下，相应可靠度进行分解后，是由疲劳刚度与轴疲劳强度构成，以Rs刚以及Rs强进行表示；基于变速齿轮下，进行可靠度分解后是由齿轮接触疲劳强度与弯曲疲劳强度构成，以Rc接与Rc弯进行表示；基于花键下，相应可靠度分解后为疲劳强度，以Rj进行表示。
基于此，就得出了基于机械式变速器下相应变速传统机构的可靠性分配模型，即：Rs=Rs刚*Rs 强Rc接*Rc弯*Rj强。
1.2 变速器齿轮与变速器轴的可靠性设计在变速器齿轮上，相应可靠性数学模型的搭建如下：首先，需要实现目标函数的建立。
在实际搭建这一模型的过程中，是以变赌气体积与齿轮传动复合度最大为目标函数，这一目标函数的确定直接影响到了汽车变速器的安全稳定性。
汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计
汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计摘要：目前，随着我国社会不断进步与发展，我国的汽车拥有量呈现出明显的上升趋势。
目前，很多汽车生产厂商，在一定程度上都在为满足人们的日常生活需求与带来更好的驾驶体验而努力。
因此，在随着人们对汽车设计要求不断提高的同时，企业的变速器质量与性能的可靠性备受瞩目，成为诸多汽车设计与制造厂商需要重点关注的内容之一。
汽车的机械式变速器是目前得到诸多好评的变速器，其有着寿命长、稳定性高等优点，是诸多汽车上配备的标准变速器。
但是，为了促进汽车行业更好的进步与发展，在机械式变速器变速传动机构的可靠性方面进行优化设计，更能够提高汽车的变速器使用性能，进而提高汽车的使用性能。
所以，本次主要针对其可靠性进行分析与探究。
关键词：机械式变速器；变速传动机构；可靠性优化汽车的性能优化，在一定程度上离不开汽车的变速器优化，汽车在发展的历史进程中，特别是汽车的主要动力以内燃机为主之后，变速器对于汽车的重要性越发明显，其是确保汽车能够正常使用的关键组成部分，不可缺少。
在实际应用的过程中，变速器能够改变汽车的传动比，能够确保发动机在最有利的范围内为汽车的行驶提供动力，是优化汽车行驶的关键元器件。
本文研究的变速器，之所以能够沿用至今，这与其高效率、高性能、长使用寿命和更强的稳定性有着直接的关系，得到诸多汽车制造厂商与驾驶人员的认可。
但是，在汽车行业的发展中，如何提高机械式变速器在传动性能与减小变速器的体积成为主要的研究内容，是未来汽车主要研究领域之一。
1汽车机械式变速器传动结构的可靠性分析针对汽车机械式变速器传动结构的可靠性分析，在一定程度上需要结合数学建模的方式进行综合研究与探究，其中主要包括了对各个零部件的尺寸、荷载以及制造材料等数据的研究，通过数学建模的方式能够极大程度地提高变速器的设计精准度，是确保变速器设计合理的关键。
因此，下文主要结合数学建模方式对其传动结构的可靠性展开研究。
1.1机械式变速器传动机构可靠度分配首先需要做的就是对其可靠度进行分配，并通过结合约束条件分析的方式对其可靠度进行建模分析。
汽车机械式变速器可靠性优化设计的研究
汽车机械式变速器可靠性优化设计的研究摘要：伴随着时代发展，汽车相对于传统的一些交通工具，如自行车，汽车在时下人们生活中的应用更加的普遍，相对于时下主流的交通工具，如公交车，火车等，汽车在人们的生活中也占有着非常重要的地位。
在人们的日常生活中，汽车采用燃油或者是电力提供能源的方式，满足人们的日常生活以及出行的需求。
对汽车的实际驾驶系统进行深入的分析，可以发现驾驶员只要通过变速器实现对汽车车速的控制的，但是时下的汽车机械式变速器，在实习的过程中有很多的问题。
关键词：汽车；机械式变速器；可靠性汽车作为时下应用最为广泛的一种交通工具，在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用，而变速器作为汽车保持正常工作性能的一个必不可少的元件，在保证汽车整体运营性能方面，发挥着至关重要的作用。
而对时下汽车所采用的变速器类型进行深入的剖析，可以发现机械式变速器是时下汽车最常用的一种变速器，所以其实际工作性能将直接的影响着汽车的整体运行可靠性。
所以在实际研究工作中，相关的工作人员一定要从多角度、多方面的思路入手，实现其实际性能的优化工作。
1汽车机械式变速器概述以及现状分析1.1汽车机械式变速器概述汽车机械式变速器是汽车重要的装置，对汽车的整体运行有重要意义。
随着技术的发展，越来越多的汽车使用内燃机为汽车运行提供动力。
但内燃机转速变化较小，成本较高，因此使用内燃机作为动力装置的汽车，和机械式变速器汽车相比，具有一定的劣势。
对于商业运输用到的汽车，机械式变速器能够提供汽车在运行时需要的动力。
机械式变速器的成本和其它新型变速器相比，具有生产成本较低的优势，能够使更多的家庭有能力购买汽车，提高人们的生活质量。
机械式变速器在使用上具有操纵复杂的缺陷，但在使用寿命以及使用效率方面，具有较高的优势。
质量较好的变速器设置具有较高的性价比，在使用性能方面具有一定的优势。
改进后的机械式变速器在操作上具有简单灵活的优势。
按照变速器的传动比进行分类，传统的变速器可以分为有级式变速器，无级式变速器以及综合变速器三种，其中有级式变速器是目前应用最广泛的机械式变速器。
汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计
汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计1 汽车机械式变速器变速传动机理变速器是汽车机械式变速器变速传动系统重要的组成部分，它是能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比的齿轮传动装置。
变速器的组成由传动机构和变速机构所成，而传动机构大多数是利用普通齿轮来进行传动，特殊的情况下也使用行星齿轮来保证传动的工作。
汽车机械式变速器变速传动主要是通过改变传动比与发动机曲轴的转矩，来达到汽车在不同行驶状态下对驱动车轮牵引力和运行速度的要求。
汽车机械式变速器变速传动主要是采用了齿轮传动的降速原理，其主要内容是在汽车需要低速运行时，让传动比大的齿轮副工作；在汽车需要高速运行时，让传动比小的齿轮副工作。
2 机械可靠性设计方法2.1 机械可靠性设计目的。
机械系统可靠性设计的目的，利用系统可靠性指标作为依据，来满足预设功能目标的实现；而目标的实现需要让系统中的技术性能、时间、成本等各个因素之间达到完美的协调性。
要想实现机械可靠性设计目的需要对影响功能目标因素进行合理的整合。
2.2 机械可靠性设计方法。
机械可靠性设计的方法常用的有两种，一是根据系统内各个零部件可靠性的数据和计算系统的可靠性指标相互比对，采用一种最佳的设计方案；二是按照系统可靠性的指标，进行零部件任务可靠性再分配，逐一进行最佳设计方案的选择。
3 机械优化设计理论3.1 机械优化设计理论内容。
机械优化设计理论内容就是利用机械设计和优化设计进行相互的融合，并借助高科技的手段，用来能够保证预期目标实现的最佳方案和最佳设计参数；目前融合高科技计算机技术和最佳组合设计原理的手段，能够为机械优化设计提供较为科学的保证，而且设计方案具有多种筛选性，增强了设计人员思维的拓展和降低了设计人员工作量。
3.2 机械优化设计理论方法。
一是传统机械优化设计理论方法：传统机械优化设计方法是依据问题提出、分析、结果流程来进行，分为准则优化法、线性规划法和非线性规划法。
准则优化法采用物理力学的方法原理来寻求最优化解决办法，其特点在于针对性强、效率高；线性规划法是利用数学最大值、最小值两种概念，来选取适当的设计变量和相应的约束条件，得到目标函数，特点在于求解简单、有效、精度系数比较高。
汽车机械式变速器的可靠性优化设计
汽车 机械 式 变速 器具有 结构 精 密和 变速 滑动稳 定 的特 点，运 用现 代机 械设 计 理论 的相 关方 法 和对 变速 器的 问题 剖析研 究 ，可 以对 汽 车机械 式变速 器 的整体 结
构优 化设 计提 出 实践指 导意 义。 同 时 ， 相 对 符 合 的 优 化 设 计 模 型 可 以 为 整 个 汽 车 机 械 式 变 速 器 的 的机械运作效能进行合 理改进。
２ ． ２符合模型分析研究方法的阐述
在 对 汽 车 机 械 式 变 速 器 的 机 械 运 作 和 与 之相 关的机械单 元间配合 的理论分析得 出，在 考 虑 整 体 机 械 式 变 速 器 符 合 体 积 合 理 大 小 后 要
对 设计相关的无必要环节适 当剔除和删减 ． 对
２ 汽车 机 械 式 变 速 器 的可 靠 性 设 计 方 案
应 的不 同方 向和 同角度 的问题进行配置结构 和 解 析 结 构 的合 理 调 配 。得 出 一个相 对 统 一的 函 数 表 述 ，对 每 个 单 目标 的 函 数 进 行 适 当 的 归 ｖ： 类并及变量 的带入 。对采用的线性加权的方法 得 出 的函 数 可 以对 相 应 权 系 数 的 目标 数 值 取 ： 通 过 对 相 应 的 齿 轮 轮 组 进 行 再 渐 开 线 圆 ｍｉ ｎ Ｆ （ Ｘ） ＝ ｍｉ ｎ ［ Ｗｌ Ｆ １ （ ｘ Ｗ２ Ｆ ２ （ ｘ ） ］带 入 公 式 齿 柱 方 面 的齿 轮 带 动 ，得 出 项 目齿 轮 组 配 合 在 模 轮 运 作 函 数 表 示 乡 音 的 关 于 体 积 的 加 权 系 数 函 型数 和 齿 轮 咬合 比 率数 值 是 否值 相 同 ，对 形 成 １ 的压力和切入角度是否一致都要求精准 。同时 数：ｗｌ ＝ｉ ， 并对 到出所 需的最优化取 厂ｘ ｉ ｘ） 对每个齿轮 的数量在旋转式 的每一个单股挂档 后 齿 数 的配 动 输 出值 是 否 同意 ，在 汽 车 体 需 要 值 范 围和 判 定 范 围 。
汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计
汽车机械变速传动机构可靠性的优化设计发表时间：2019-05-20T09:27:46.327Z 来源：《电力设备》2018年第32期作者：孟庆杰史铁龙[导读] 摘要：近年来，随着科技的不断发展，机械式变速器以及自身制造工艺越来越成熟，而且建造成本低，稳定性较高，因此广泛应用于汽车行业之中。
(精诚工科汽车系统有限公司河北省保定市 071000)摘要：近年来，随着科技的不断发展，机械式变速器以及自身制造工艺越来越成熟，而且建造成本低，稳定性较高，因此广泛应用于汽车行业之中。
然而从实际设计结果上来看，机械式变速器的应用依然存在很多不足，比如说换挡冲击大、体积较大等问题，严重影响了汽车整体的平稳运行，上述问题需要可靠性的优化设计方案来进行解决。
关键词：汽车机械；变速传动机构；可靠性；优化设计1机械优化设计介绍机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论、方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。
机械优化设计目前是一门比较热门的学科。
优化设计已经越来越科学化、系统化，它包含着数学规划方面的理论与方法，同时也与计算机程序设计紧密结合。
随着时代的进步，计算机技术发展迅速，在机械优化设计中得到广泛的应用。
为使得所期望的指标达到最优，计算机的数值计算可以轻松解决很多问题。
有时所期望的指标不止一个，数学规划与计算机设计程序的结合可以清楚的分析其中的问题并解决所遇到的难题，从而使得多目标达到综合最优。
优化设计在工程设计中可以大大提高产品的设计效率，同时保证产品的设计质量到达最优。
为了得到较为完善的或者最合适的设计方案，优化设计被应用到各个行业领域，机械优化设计在工程设计领域中处于越来越重要的位置，被认为是一种非常重要的科学设计方法。
2分析当前机械式变速器变速传动机构的可靠性分析机械式变速器变速传动机构的可靠性主要是对其内部各机构之间的可靠度分配情况进行分析，同时也要分析汽车实际操作过程中是否与变速器内部的机构之间的可靠度分配具有复合性。
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南京航空航天大学硕士学位论文
图、清单
图 1.1 解放 CA1041 系列轻型载货汽车变速器传动机构示意图…………..……..3 图 1.2 两概率密度曲线相交区域……………………………….………..….............6 图 2.1 某三轴四档机械式变速器前进档位示意图…………………..…………....14 图 2.2 机械式变速器变速传动机构分解图..………………………………..….....15 图 2.3 中间轴轴向力的平衡图解………..…………………..………….………....27 图 2.4 变速器动力输出轴受力分析简图………………………….……………....31 图 2.5 轴的垂向挠度计算简图………………………………..………....................32 图 2.6 轴的水平挠度计算简图…………………………..…………….………...…33 图 3.1 优化设计程序算法流程图………………………..…………………….......40 图 3.2 各个斜齿轮的三维模型图…………………………..………………….…...44 图 4.1 汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计应用程序界面…….....50 图 4.2 优化变量初始值输入界面……………….…………..…………………......53 图 4.3 可靠性优化设计运行界面………………..………………...........................54 图 4.4 优化结果输出界面………………………..……………………..……….….54 表 2.1 三轴式机械变速器轴的常见故障及故障原因............................................16 表 2.2 可靠度系数与可靠度对照表........................................................................20 表 2.3 部分国内外汽车厂家变速器的速比.............................................................25 表 3.1 某三轴四档机械式变速器部分参数值........................................................40 表 3.2 联合优化、 体积优化结果与原始数据对照表...............................................41 表 3.3 渐开线圆柱斜齿轮法向模数........................................................................42 表 3.4 多目标可靠性优化设计结果(圆整后)与原始数据对照表..........................42 表 4.1 各种调用方法性能对比................................................................................48
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承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内容 外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允 许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
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南京航空航天大学硕士学位论文
第一章
绪论
1.1 汽车变速器概述及发展趋势
汽车问世百余年来， 特别是从汽车的大批量生产及汽车工业的大发展以来， 汽车己为世界经济的发展、 为人类进入现代生活， 产生了无法估量的巨大影响， 为人类社会的进步作出了不可磨灭的巨大贡献，掀起了一场划时代的革命。自 从汽车采用内燃机作为动力装置开始，变速器就成为汽车重要的组成部分。现 代汽车上广泛采用的往复活塞式内燃机具有体积小、质量轻、工作可靠和使用 方便等优点，但其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的 牵引力和车速能在相当大的范围内变化。故其性能与汽车的动力性和经济性之 间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的[1]。因 此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩的目的。变速 器的主要功能表现为[2]：⑴改变汽车的传动比，扩大驱动车轮转矩和转速的范 围，以适应经常变化的行驶工况，同时使发动机在最有利的工况范围内工作； ⑵在发动机旋转方向不变的前提下，实现汽车的倒退行驶；⑶实现空档，暂时 中断动力传递，以便发动机能够起动、怠速等。 变速器由变速传动机构和操纵机构组成。按传动比变化方式，变速器分为 有级式、无级式和综合式三种[3]。 有级式变速器应用最为广泛。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。 无级式变速器 Continuously Variable Transmission(CVT)的传动比在一定的 范围内可按无限多级变化，常见的有电力式和液力式(动液式)等。无级变速器 是变速器发展的终极目标，因为只有它才能使发动机处于最经济的工作状况， 才能为整车提供最优的燃油经济性和最优的动力性，才能给人们提供最舒适的 乘坐感觉。当今无级变速器的典型代表就是 CVT 和 IVT，然而由于工作可靠性 差、材料不耐用和成本高等问题，发展不是很好。 综合式变速器是指由液力变矩器和机械式有级变速器组成的液力机械式变 速器，其传动比可在最大值和最小值之间的几个间断范围内作无级变化，但其 传动效率明显低于比齿轮传动效率。
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汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计
ABSTRACT
Transmission is an important part of automobile powertrain. It has a direct effect on automobile’s quality of momentum and ecomomy, controlling quality of reliability and portability as well as driving quality of placidity and efficiency. With high development of automobile industry and the appearance of modern design method, the design of transmission is required more and more strictly. In this paper, reliability-based optimal design method is applied in the field of automobile transmission design. According to requirements for tractive performance of vehicle and the constraits of the strength and stiffness of the parts, a multi-objective reliability-based optimal mathematical model of auto-transmission is established on the basis of the smallest volume and the biggest transmission gear overlap of the auto-transmission. The mathematical model is solved by the programme of MATLAB. By comparing the result of reliability-based optimal design method with tradition’s, I get the conclusion that this method is feasible for the field of auto-transmission design and it’s better than traditional design method also. Then, the 3D modeling software Unigraghics is used to establish the helical gear model. In the fourth chapter of this paper, a special program which can design auto-transmission easily in the way of reliability-based optimal design method was written out by software Visual Basic and MATLAB based on technology of ActiveX. But, this program isn’t perfect, because it’s only for one kind of automobile mechanical transmission which is discussed in this paper. After further research, I think it can design more kind of automobile mechanical transmission. In the end, I summarize the whole paper and bring forward the lack of the paper and the way and content of research in the future. Keywords: automobile mechanical transmision, multi-objective optimization, reliability-based optimal design, MATLAB, VB