针对汽车机械式变速器的现代化设计方法

针对汽车机械式变速器的现代化设计方法

朱广德

柳州上汽汽车变速器有限公司广西柳州545006

摘要：机械式变速器作为汽车的重要组成部分，能够满足汽车在不同行驶条件下对牵引力的需求。在汽车逐渐普及的背景下，人们对汽车的运行性能也提出了更高的要求。通过探究汽车机械式变速器的现代化设计方法，分别从齿轮、传动轴等重要部件提出设计方法，并进行大量的调试运行，确保机械式变速器能够保持更好的运行状态。

关键词：机械式变速器；特点；存在问题；设计方法

一、汽车机械式变速器的设计特点

在开展机械式变速器的设计时，应当关注汽车的使用性能，提高设计的实用性。其设计特点有：（1）必须使变速器具备较强的动力。变速器可以为汽车的行驶提供辅助动力。特别是对于一些大吨位的货车或载客量较多的商务车，行驶过程中需要充足的动力。利用变速器切换档位，低档位可以提供更加强劲的动力，从而满足了大吨位汽车的行驶需求。（2）必须使变速器具备较好的协调性。客观来说，自动变速器的操作难度要低于机械式变速器，这也是近年来安装自动变速器的汽车数量越来越多的主要原因。在进行变速器现代化设计时，也要注意增强协调性和平滑性，降低操作难度，提高对汽车的控制力。（3）使用过程中具备较高的性价比。当前机械式变速器的价格要低于自动变速器，这样无形中降低了汽车的制作成本和销售价格。

二、当前汽车机械式变速器现代化设计存在的问题

无论是汽车整机设计，还是具体到汽车的某个部件的设计，都是采用现代化设计方法。其优势主要体现在两个方面：其一是利用计算机完成高精度的运算，保证了机器的精密度，增强了整体协调性；其二是可以在仿真环境下调试运行，降低了产品设计成本。汽车机械式变速器也广泛采用这一设计方法。但是在实际工作中也发现，现代化设计同样存在提升的空间，例如汽车行业和消费者对变速器的运行工况提出了更加严格的要求，除了要兼顾平稳性、安全性外，还要保证可靠性。而基于现代化设计方法生产出来的机械式变速器，在综合性能上还有所欠缺。在设计时一味的追求变速器性能，导致车身重量增加，油耗也随之上升。基于上述问题，本文提出了机械式变速器的现代化设计方法。

三、汽车机械式变速器的齿轮设计方法

1、确定齿轮参数

影响齿轮参数的两个主要变量是中心距和初选模数。其中，中心距与机械式变速器的自重呈正比关系，在不影响变速器各项功能正常运行的前提下，可以适当缩短中心距，达到减轻变速器自重的效果。初选模数越大，齿轮的强度越高，模数的具体数值需要按照公式进行确定。避免一味追求齿轮强度而盲目增加初选模数，这样容易增加机械式变速器的运行负荷。另外，向压力角、齿宽、齿数等，也都会对齿轮具体参数产生影响，需要技术人员在设计阶段重点考虑。以压力角为例，机械式变速器现代化设计中，可供选择的压力角有20°、30°和45°等多种。理论上来说，压力角越大，则齿轮的接触面越大，但是也要考虑变速器内部空间和运行负载的影响。

2、计算齿轮尺寸

齿轮的尺寸与齿数有直接关系。例如，同一部件中，齿轮的齿数越多，承载力越强，需要的齿轮尺寸也就越大。不同规格的齿轮，设计的齿数也有很大差别，例如机械式变速箱中常用的有45齿、60齿等。齿数越多，则机械式变速箱运行过程中产生的噪音和振动越小，运行稳定性更好。现代化设计方法中，对齿轮尺寸的计算精度也提出了更加严格的要求，需要综合计算齿顶高、公法线长度、节圆直径等内容。另外，还要对计算结果进行误差分析，如果误差超标限定标准，还要求重新计算。

3、计算齿轮强度

齿轮强度会直接影响齿轮的使用寿命，尤其是当汽车使用较长年限后，如果齿轮设计强度不达标，将会出现严重磨损甚至失效，导致变速器不能正常运转，汽车有可能因为突然失去动力而引发交通事故。结合以往工作经验，机械式变速器齿轮经常出现的故障有3类，分别是齿面点状锈蚀、齿尖折断或缺口、齿面胶合。这3类故障都与齿轮强度不达标有直接关系。因此，在机械式变速器的现代化设计中，要求将齿轮放置在悬臂状态，然后利用仪器测定齿轮的最大弯曲应力。以弯曲应力的极值作为标准，设计齿轮强度。

四、汽车机械式变速器的传动轴设计方法

1、选择尺寸

在变速器设计的初期，由于轮轴的内部结构还不完善，此时不能通过组合变形计算出传动轴的精确尺寸。当轮轴制作完成后，可以综合考虑扭转的刚度条件和轴承的距离，计算传动轴的长度和直径。以往的设计中，技术人员还会专门计算传动轴的扭矩，但是结合变速器的运行原理可知，实际扭矩与齿轴的内部构造没有直接联系，在设计传动轴时，只需要考虑轴的刚度和强度即可。为了提高传动轴尺寸的精度，可以将各项测量参数和设计要求输入计算机中，快速、准确的得出计算结果。

2、受力分析

在进行轴的强度和刚度计算之前，首先要对轴的支撑力和受力的情况进行分析，不同的作用力在齿轮的作用力是不同的，对于处于不同档位的支撑反力和受力需要通过不同的公式进行分别计算，在求轮齿上的支撑反力时，要从二轴计算，之后分别计算其他的。在通过估算初步明确了轮轴的内在形式和结构后，便可以根据扭弯变形的程度，做出进一步更加精准的计算了。每一步具体的计算都有公式为依据，图1为二轴受力的分析图。

3、计算强度

变速器的设计要在发动机规定的年限内延续其性能，并且要求变速器是最节省材料、体积最小、成本最低的。通过对支撑反力的计算，利用公式“M等于P乘以X”求出截面上的力矩，一般情况下，强度的计算只单纯的针对危险截面，在确定断面的承受力后，根据断面处扭矩最大值和弯矩数值，求出最后合成应力、弯曲应力和扭转应力。刚度是用转角和挠度来就算的，在实际运行中机械式变速器往往会因齿轮缺乏强度而损坏，刚度不足则会降低其使用的寿命，并且影响正确的咬合，会产生大量噪音，合理的控制强度和刚度的数据，才能达到一个完美的状态。

五、汽车机械式变速器的软件开发

基于Windows操作系统的变速器模拟软件，能够以开发和设计参数为基础，对机械式变速器的运行情况进行模拟，为技术人员进行变速器的设计提供参考依据。软件的开发设计流程如下：（1）设置主界面。主界面设计应当以简洁、实用为主，具有导向功能，包括强度校对、传动计算等。一些更加专业的设计，可以通过主界面的链接按钮，跳转到二级页面上进行操作。（2）核心模块界面。该界面主要涉及变速器的一些具体控制功能，包括齿轮传动数据收集模块、速比配置数据计算模块等。（3）虚拟运行界面。在完成软件部分的设计后，可以将所有的运行数据、控制指令导入数据库中，然后在仿真环境下进行运行。同时，技术人员可以利用计算机对变速器运行参数进行调整，以检测在不同环境下的运行情况。

结语：机械式变速器不仅是汽车的重要结构，同时变速器的运行工况也关系到行车安全，必须要在设计阶段采取相应的措施，保证变速器的运行稳定和延长变速器使用寿命。针对传统设计方法中存在的不足，技术人员要结合变速器自身结构，探究现代化设计的合理方法，使机械式变速器设计兼顾经济效益和实用价值。

参考文献：

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