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摘要：在交通业迅猛发展中，汽车销售量逐年上涨，汽车的可靠性与安全性更加重要。在汽车设计当中，变速器尤为重要。变速器是将发动机的动力传输给汽车，带动汽车正常行驶的设备。车速调整是通过变速器得以实现，其设计的可靠性会直接决定汽车行使的安全性。本文分析了汽车机械式变速器的可靠性，探究了汽车机械式变速器优化设计的具体情况，阐述了试验设计与结果，仅供参考。
关键词：汽车；机械式；变速器
1汽车变速器发展历程
自从汽车变速器出现在人们的视野之后，内燃机成为主要的动力装置。其中，活塞式内燃机成为汽车应用的装置类型。活塞式内燃机的质量较轻、操作方便、体积较小，但是其也存在转速范围小与转矩范围小等缺陷[1]。因此，可以将变速器与主减速器置入传动系统中，从而达到增矩、减速的效果，平衡经济与动力性的问题。变速器的价值主要表现在两个方面，第一个方面是将传动比的转变作为出发点，拓展车轮的转矩与转速变动范围，确保汽车能够应对各种复杂情况。第二个方面是针对动力传递实施中断处理，协助发动机完成启动和怠速。从操作方法的不同来看，变速器可以划分为自动和半自动等不同类型。从传动比变化来看，变速器可以划分为无级式、综合式、有级式。
2汽车机械式变速器的可靠性
2.1变速齿轮。变速器体积是对设计效果产生影响的要素之一。因此，在保证车辆行驶平稳与满足动力需求的前提下，合理缩小体积。并且，还需要探究动力结构的精密程度，进而减少生产成本。加强研究程度方面，能够对“机械式”变速器体积带来直接作用，从而保证其体积在适合的单位之内，并将优化关键融入变速器齿轮中。通常情况下，“机械式”变速器的变速齿轮主要是空心结构，其结构框直径与变速器轴径温和[2]。根据实际情况可以得知，将空心结构作为实心结构进行研究，在很大程度上可以缩减研究流程，并且获取准确地研究结论。从整体情况来看，分析变速齿轮的安全性和可靠性，在这个过程中，大部分参数和系统平稳运行有紧密的联系，并且对齿轮转动的重合性作用更加明显。
2.2变速器轴。变速器是操控应力传输的主要构成部件，其机构较为复杂。因此，必须保证变速器结构刚度与稳定性。连接花键的目的是便于齿轮运行，荷载承载表现良好，需要具备异向性与最终性。花键齿根较浅，当变速转动时，能够为变速器转动提供安全性及稳定性的保障。保障轴承具备可靠性，也是主要要点，其应与轴承结构特点保持一致性。正常情况下，第一轴的轴承采取向心球，后轴承是向心球轴承。第二轴的前轴主要采取滚针轴承或者滚子轴承，不断选择“单列向心球轴承”。在运行中，需要汽车根据轴承的安全性、可靠性实行规范，进而满足相关需求。
3汽车机械式变速器优化设计的具体情况
3.1齿轮参数通常情况，采取现代方法设计优化汽车零件系统和机械式变速器，促使有效提高汽车的性能[3]。在这一基础上，针对汽车零部件和汽车性能等结构，结合数字化核算，进而有效提升汽车的舒适性与实用性。但是对于机械式变速器，采取现代设计方法进行优化后，为保证汽车的性能符合设计要求，从而实现轻量化的目标，需要在优化后的机械式变速器中，进而确保变速器的性能更加稳定。3.1.1确定齿轮参数。在确定初选模数和中心距后，变速器的重量会根据中心距的增加而增加。模数大小会对齿轮强度带来较大影响，一般采取公式初选的方法明确模数。在确定齿宽和压力角时，齿轮的抗弯强度与接触强度会根据压力角的增加而提升。结合公式计算齿角，若齿角过大，会增加负载，从而齿轮承载力下降。在明确齿数时，计算变位系数后，齿轮重合力度会根据螺旋角斜齿轮而加大，在降低噪音的基础上。再次计算轴承的轴向力，从而确定轮齿数。通过分析齿轮失效的原因，提升齿轮的承载力，从而确定变位系数[4]。3.1.2计算齿轮强度与尺寸因参数数量比较多，结合具体情况计算齿轮参数。其中，主要包括基圆直径、变位系数和分度元直径的计算，必须保证各个数据的精准性。在判断变速器齿轮有效性的过程中，需要通过计算齿轮强度得以实现。当齿轮出现损坏与故障时，主要表现为齿面胶合和齿轮折断、齿面点蚀。通过确保齿面具备抗点蚀能力，保证在工作时间中齿轮可以正常工作，结论利用公式获取。在动力传递的过程中，应该保证齿轮处在悬臂状态，在保证齿轮具备可靠性之后，达到强化机械式变速器的安全性和可靠性的目的。
3.2变速器的模型。将轻量化设计作为发展趋势的机械式变速器，轻量化设计会导致汽车运行的可靠性检索，发生可靠性降低的概率增加。在设计变速器的过程中，应该权衡两者关系，变速器转动和换挡应该做到对应改变。变速器齿轮的体积缩小为轻量化合计的核心，机械式变速器中包含大量的齿轮，当齿轮的体积之和达到最小，便可作为“轻量化设计”的函数[5]。在机械式变速器中，将bi作为齿轮宽度，di表示齿轮分度元直径，如公式所示。齿轮传动采取“渐开线圆柱齿轮”，两个齿轮分度圆的压力角与模数在啮合状态下是相等的，一挡齿轮与倒挡齿轮之间取相同数值的螺旋角与模数。倒挡传动比会对倒挡齿轮体积带来直接的影响，在设计前挡位齿轮之后，倒挡齿轮的各个参数可以结合倒挡转动比核算。当βi代表i档齿轮螺旋角，bi代表齿轮齿宽，mni代表齿轮模数。其中，i=1、2、3、4、5。zi代表齿轮齿数，其中，i=1、2、3、4……、10，齿轮系体积公式如下所示。将变速器的传动比间关系作为依据，将上式转变成函数，表达是为“F（x）=V”。在明确设计变量之后，建立约束条件，求解目标函数，缩小变速器的系统体积，进而实现可靠性与轻量化兼顾设计的目的[6]。在设计的过程中，考虑到涉及的参数较多和变速器影响因素，设计变速器的复杂性上升。为实现简化设计，仅将重要参数当作优化设计的变量。其中，公式为。
3.3明确约束条件。3.3.1变速器转动比约束。转动系统的最大转动比约束较多，主要包括最低车速、最大爬坡度、汽车附着力。在路面正常行驶的汽车，必须保证驱动轮不出现打滑的情况。将i0代表“减速器转动比”，将i1代表变速器转动比，两者的乘积是最大的转动比。约束条件是将驱动轮和附着条件作为依据，公式如下。Temax代表发动机的最大转矩，约束条件将爬坡度作为主要依据，具体公式如下。3.3.2中心距的约束条件。变速器的体积大小与中心距有直接的关系，需要对其实施约束，进而达到轻量化的目的。在保证设计强度符合需求的前提下，最大程度地缩减中心距的数值，变速器的传动比值达到最大。并且，还需要确保发动机的转矩达到最大。
3.4连接的优化设计。连接对汽车机械转动系统来讲具有重要作用，这便要求设计人员采取合理的设计方案，保证连接具有可靠性。在设计的过程中，应该结合链接的链接信息和结构等进行统一处理，不可以仅考虑某一个要素。整合机械零件的复杂性较高，为保证连接的质量与效率，首要工作是安装铆钉和螺栓等连接，这是保证位置精准的主要途径。为保证机械零件的承受能力达到有关标准，应该采取加工键槽和钻孔的方式，从而进行评估判断。为保证连接的可靠性，还应该重视接头的强度与耐磨性。
3.5优化变速器轴承。设计变速器的轴承，能够为安装传动部件提供便利，从而提高变速轴承的流利程度与整体性。从整体情况看，保证轴承的刚度与强度是设计者的主要目标，这便规定工作人员必须重视两个指标，科学地控制轴承的重量与材料，保证轴段直径符合标准，从而为设计其他零件奠定基础。积极分析与设计轴结构，在定力荷载的部位会形成应力荷载，其具有的可靠性也会为优化设计质量提供参考。
4实验设计与结果
本文采取“多目标函数”的方法作为可靠优化方法，从而将多目标的问题转变为两个目标问题。通过线性加权进行求解，根据多目标函数利用统一目标法和线性加权法，将其转变成单目标函数，最后形成完整的评价函数。权系数是各个单位最优化数值的倒数，W1和W2分别表示目标函数的“加权系数”，、为目标函数最优值。公式为。为提升优化精度，在优化与编程的过程中，采取“多重循环方法”与“VB编程语言”，进而有效解决局部解散和离散变量的问题。在优化的过程中，需要优化、，从而获得加权系数W1与加权系数W2，对传动齿轮采取统一的目标函数实现优化工作。通过优化参数，对比改进之前的齿数和模数，改进之后的齿数和模数均减小。改进之后的齿轮体积减少，进而提升变速器可靠性，有效地平衡变速器的可靠性与轻量化设计，为变速器提供决策支持与数据支持。
5结束语
综上所述，为提升驱动控制器性能，最大程度地满足安全驾驶的需求，深入探究优化设计机械式变速器的路径。当代大部分企业的变速器种类为“机械式”变速器。因此，在设计变速器时，应该进行全方面的判断，通过多元化的设计方式，从多方向和多角度完善变速器，进而满足变速器可靠性的需求。在严格控制优化程度方面，建立“机械式”变速器优化模型，明确螺旋角、齿宽和齿数的约束条件，提升变速器优化设计的完善性与合理性，促使汽车的性能更加稳定。
参考文献：
[1]刘怡然.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].南方农机，2019，50(24)：32.
[2]李时蕾.汽车机械式变速器优化设计实现路径分析[J].微型电脑应用，2019，35(5)：139-141.
[3]魏健东.汽车机械式变速器的可靠性优化设计探究[J].湖北农机化，2019(2)：54.
[4]吴超.汽车机械式变速器的可靠性优化设计探究[J].技术与市场，2017，24(2)：93.
[5]尤建祥.汽车机械式变速器变速传动机构可靠性优化设计[J].汽车实用技术，2016(2)：57-58+69.
[6]陈旻.汽车机械式变速器的可靠性优化设计[J].武汉工业学院学报，2016，31(3)：22-25.
作者:林梅 李敏 李晓可 李红梅 张霞 单位:成都师范学院物理与工程技术学院
