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摘要：随着我国交通业的不断发展，汽车的销量在不断增长，汽车的安全性以及可靠性也显得更加重要。汽车设计中，变速器非常重要，它是将发动机动力提供给汽车，推动汽车行驶的主要设备。汽车的车速调整主要是借助变速器来实现，所以其设计可靠性直接决定着汽车的行驶安全性。对汽车机械式变速器的可靠性优化设计进行了探究。
关键词：汽车；机械式变速器；可靠性；优化设计
引言
汽车变速器的作用是为汽车提供可变化的速度，以保证车辆正常运行。汽车机械式变速器作为一种相对古老的调速模式，一直被沿用至今。虽然随着科技的进步，自动化变速器与无级变速器等使机械式变速器市场占有率得到一定下降，但是ATM却又为机械式变速器的发展带来新鲜活力。对汽车来说，变速器系统对整个汽车操控驾驶性和安全性都十分重要。对变速器进行设计时，不仅需要发挥换挡和传动作用，还需要保证汽车在行驶时的可靠与安全。下面从现代化优化设计角度出发，对汽车的机械式变速器的可靠性进行优化设计，进而使机械式变速器性能得到有效提高。
一、提出问题
从目前来看，机械式变速器仍被广泛应用于汽车中。人们生活水平的提升，对汽车的要求越来越高。虽然机械式变速器较为古老，但依然能够满足一些汽车爱好者的需求。汽车的不断发展，汽车机械式变速器的作用越来越重要，然而，在优化设计机械式变速器可靠性时，存在一系列问题。
1.1机械式变速器设计概述
发动机具备较高的输出转速，在特定的转速区存在最大扭矩和最
大功率。为了使发动机性能充分发挥出来，需要安装变速装置，以对车轮实际行驶速度与发动机转速进行协调，这种装置被称之为变速器。齿轮组是机械式变速器应用的重要部分，各个档的齿轮组齿数是一定的，因此，每个档的变速比值是一个固定值。
现代化汽车设计理念与方法的发展，使很多传统手工设计方法不断被淘汰。一些相对先进的现代化设计，如计算机设计、绿色设计、逆向工程设计以及质量设计等方法不断涌现。借助这些先进的设计方法，对汽车机械式变速器结构和性能的优化都有重要的积极作用。
1.2分析存在的问题
当前，在对汽车进行整体性设计或者对汽车的各部分零件进行设计时，一般都会使用现代化设计方法。这一方法最大的优势就是能够借助一些精密的数字化运算使设计得到有效优化，实现设计的最佳功能效果，进而实现零件或者结构的设计优化，使汽车整体得到优化，实现节能与低尾气排放。所以，对汽车的变速器进行设计时，通常也使用现代化优化设计。这种方法设计的变速器，设计的功能和代表性能被优化，但其可靠性是否得到优化还是未知，需借助严密测试了解。有时候，借助现代化优化设计的变速器，性能也可能没有达到相关标准。此外，汽车也需要具备安全性与可靠性，不能盲目追求轻量化与节油效果而忽视可靠性。但是，现代化优化设计的现代化汽车，和变速器可靠性这一要求互相矛盾。所以，结构在进行轻量化设计时必须确保汽车的安全和汽车行驶的可靠性。这就需要将现代化优化设计和可靠性设计相结合。为了实现这一目的，本文在实现轻量化的同时，致力于实现机械式变速器的可靠和安全。
二、汽车机械式变速器的可靠性优化设计
2.1建立变速器设计模型
研究表明，汽车零部件设计的轻量化与可靠性有一定的矛盾关系，因此，设计人员在实际的设计过程中，要注重这两者之间的平衡。对于汽车机械式变速器的设计过程来说，其轻量化与可靠性的平衡主要体现在齿轮的传动变化与换挡变速控制。而这两个变化因素又是由变速器齿轮系统的体积来决定的，因而，在建立变速器设计模型时，要以变速器齿轮体积之和最小作为轻量化的设计目标函数。（如图）具体来说，由于变速器齿轮系统是通过渐开线圆柱齿轮来进行传动的，模型设计人员要保证相互啮合的两齿轮分度圆模数相等、分度圆压力角相等。此外，还要使倒挡齿轮螺旋角和模数与一档齿轮取值相同。由此可见，变速器倒挡齿轮的体积是通过倒挡传动比来实现控制的。因此，在实际设计过程中，当汽车机械式变速器前进档齿轮设计完成后，就可根据倒挡传动比计算出实现倒挡齿轮传动的其他作用参数。具体就是先要确立设计变量、建立约束条件，来实现目标函数的准确设计。这样一来，就可实现汽车机械式变速器系统的轻量化设计目标，从而优化了设计应用的可靠性。
2.2基于机械式变速器齿轮的可靠性复合模型分析
实质上，分析上述模型时，只是从齿轮的体积角度出发，对机械式变速器自身轻量化进行设计，却对可靠性设计涉及很少。所以，下面以传统方法为前提，借助机械式变速器的体积函数模型，对变速器的可靠性进行分析，建立以轻量化和可靠性为基础的复合型模型设计。假设机械式变速器内全部齿轮都可能会出现故障，只要其中某个齿轮出现故障，就可以认为机械式变速器出现了故障。用相应符号代替变速器中齿轮出现的故障，对全部齿轮监测的正确性进行计算。然而，监测设备并不是万能的，齿轮也不可能永远都不出现故障，所以需要建立机械式变速器故障诊断系统。为了能够对故障诊断规则性能进行衡量，需要对误报和侦测的概率进行计算，进而为机械式变速器的齿轮故障模型提供可靠的数据支持。然后，确定设计的变量，建立约束条件求解，得出机械式变速器的可靠性设计函数。
基于机械式变速器轻量化设计函数与可靠性设计函数，使之成为一个多目标的优化函数方程组，展开求解。这样既能够确保实现变速器的轻量化目标设计，也可以确保变速器的可靠性设计。在对这种多目标函数展开求解时，一般方法是把多目标函数慢慢转化成单目标函数，然后再展开求解。
从上述分析可见，把监测系统自身因为故障率而造成的可靠性也纳入计算模型内，能够极大地提高机械式变速器整体系统的可靠性分析和计算可信性，进而为深化机械式变速器可靠性设计提供指导和借鉴。
2.3可靠性优化设计函数
多目标优化函数的设计需要借助数学软件来进行实现，具体可采用Matlab6.5工具箱中fmincon函数来处理约束条件的非线性优化问题。首先，设计人员要将约束条件和目标函数集中于一个文件，这样一来，就能得出具体的约束条件。其次，编写其它变速器齿轮系统的限制条件，从而实现多目标多元非线性函数的联合建立。最后，还要将多目标优化设计函数与仅基于轻量化的设计模型进行对比，以实现汽车机械式变速器的可行性验证。相关数据证明，在实践可靠性和轻量化的复合优化设计后，变速器的齿轮系统体积明显得到减小，从而使可靠性得到了大幅度的提升。在此情况下，汽车机械式变速器的设计可靠性与存在的故障就能得到准确控制与判断，这就在很大程度上提高了机械式变速器系统的整体可靠性与计算的可信性。
三、结束语
汽车机械式变速器是当前社会中大多数汽车所采用的变速器类型，所以在机械式变速器的设计方式以及设计细节方面需要实行更加全面的设计与判断，应用多样化的不同设计方式，从多角度、多方向优化机械式变速器，从而满足机械式变速器的可靠性优化设计需求。
参考文献
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