汽车变速器设计
综述
伞齿轮(BEVEL GEARS)/斜齿轮(HELICAL GEARS)/圆柱齿轮(SPUR GEARS)/螺旋伞齿轮(SPIRAL BEVEL GEARS)/蜗轮蜗杠(WORM & WORM WHEELS)/减速机(SPEED REDUCERS)/齿轮箱(GEARBOXES)等
国内外发展现状：
进入90年代以来，科学技术的急速发展和市场竞争的日益加剧，促使汽车工业发生了
根本性的变革，其生产组织方式从传统的大批量、少品种的刚性生产结构向着多品种、中小批量的柔性生产结构转变，以CAD/CAE/CAM为代表的现代汽车设计方法正逐渐代替传统的设计方法。许多大型应用软件也应运而生，如文件处理、绘图软件、数学分析软件、数据库管理软件、加上计算机网络的建立，以及基于这些通用软件的专业应用软件的诞生，使“无纸化设计”在一些发达国家的机械制造企业中得以实现。
但是计算机辅助设计的意义不仅仅在于摆脱笔和图纸，还应该包括设计参数的优化计算；专家设计经验和知识的自动智能推理和学习；设计图纸的自动生成或从数据库中提取；甚至开始采用虚拟设计的方法，从而帮助设计人员进行方案设计，以实现半自动甚至全自动的设计。这就要求计算机具有专业领域内的专家知识和思维能力，能根据设计者的要求给出一定的设计结果，一般人们把这种掌握大量知识，能从事各种专业领域内专家级水平工作的计算机程序称为专家系统（Expert System）。
一个专家系统至少由知识库、推理机和学习机三部分组成。在实际应用中，专家系统一般还应具有一个人机交互界面，用于向用户提问，接受用户回答并对其进行判别。对于较完善的专家系统而言，还有一个知识获取部分，可以及时补充最新得到的人类专家知识并将其整理为系统可识别的表达方式；还有一个解释部分，用来向用户解释系统的“思维过程”。帮助部分则是解释部分的补充，用来就已知的事实或得出的结果向用户提出详细的建议，如应采取的措施和步骤。
对专家系统的研究源于1965年E.A.Feigenbaum等人对DENDRAL（解析化学质谱分析和预测的化学专家系统）的研究，至今专家系统的研究和应用有了长足的进展，特别是七十年代中期形成知识工程方向之后，专家系统具体应用领域几乎没有限制，如故障诊断、分析解释、咨询、设计、规划、教学、监控等。
通过国际联机检索（工程索引，NTIS美国政府报告）和国内科技期刊情报检索发现，专家系统在工程技术领域中应用广泛，其中应用在设计方面的例子有很多。例如，日本佳能公司开发一个设计长焦距镜头的专家系统OPTEX，镜头设计组已经总结有50 种长焦距镜头类型的设计手册以及一个复杂的进行光学物理射线跟踪的FORTRAN程序，他们把这些知识和设计过程的启发性知识（包括有关制造能力的经验规则，如磨出的镜头玻璃片能达到多薄，镜片间的距离能靠多近，空气间隙有什么作用等）都放入专家系统，这样只要设计人员输入要设计镜头的技术性能要求和挑选一种镜头设计作为样板，系统就能自动地设计出所需的新镜头来。据称，该系统运行的效果可提高工效10倍，设计人员由原先的40人降为4人就能以同样的数量和质量完成设计任务。
目前汽车发达国家的汽车开发能力越来越依赖于汽车自动开发设计软件。发达国家汽车开发能力的高低已不再用它拥有多少高级开发能力的人才和先进设备的多少来评价，而是用更重要的一个方面就是它是否拥有最先进的开发软件和数据库来评价。

1.2 先进的变速器设计方法的意义：
传统的设计方法一般是根据性能要求利用经验公式取初值，然后验算其强度，传动质量指标等，如果不符合要求则根据经验改变某些参数，继续验算，直至符合所有的条件与要求。这种设计方法计算量较大，得到的答案仅仅是符合要求的一个解，而一般的经验公式又较保守，对于不符合要求时改变的参数有一定的局限性，导致结果过于保证安全性。产品笨重，而许多性能未必很好甚至变的较差。在当今轿车市场日益竞争激烈，国际市场已趋于饱和，而国内市场正在蓬勃发展的同时，又是各主要厂家占领市场的良好机会。那么凭什么来吸引大量客户呢？只有良好的性能价格比，尽量在降低成本的基础上提高性能，才是所有产品打开市场的根本所在。
当前对轿车设计中动力性与经济性要求日渐提高的情况下，对零部件的限制条件也越来越多，越来越复杂。传统的经验公式已经无法满足新型变速器设计的要求。而总结新的经验公式又需要丰富的设计经验与知识，是一个长期的过程。当今科技日新月异，轿车生产的手段方法与目标也不断在改变。大量使用的经验公式已不具备长期生存实用的必要性和可能性。
综上所述，不仅从变速箱本身的特点，还是设计手段与方法的整个趋势来看，将先进的设计方法引入变速箱的设计是及其必要的。其优点不仅仅在于得到一个能使性能达到较高水平的设计方案，而且由于知识工程和专家系统的引入，使得其更具有可扩展性。它可以直接将一个复杂的要求引入到设计过程中，能在不改变或较少改变设计系统的情况下，进行进一步设计和检验其合理性。而在传统设计方法中，要做到这样是很困难的，因为改变设计系统和过程将是一个复杂的工作。
本章的重点介绍了采用先进的设计技术方法实现变速箱快速设计、计算机仿真优化和生产的一体化。

1.3 主要内容：
齿轮是汽车传动系中的重要零件之一，它对整车的动力性和舒适性有很大的影响。而齿轮设计所涉及的影响因素较多、设计参数较复杂，这些参数之间存在着相互制约相互矛盾的情况，如何协调各参数，使之在满足基本条件的基础上得到最佳的性能，这正是本章要介绍的先进设计技术成果内容。
减小齿轮的体积和质量，提高传递扭矩的能力，是当前汽车齿轮优化设计的主要目标。因为减小齿轮的体积和质量就可减小制造费用，降低轮齿动载荷，提高齿轮寿命，使汽车的总体布置更为方便和灵活。
同时齿轮传动的功率损失问题往往被设计人员所忽略，这是因为齿轮的传动效率已经很高的缘故。但近年来，许多研究表明，运转过程中齿轮温度的升高是齿轮发生胶合和点蚀的一个重要原因，而其热量主要是由齿轮运转的功率损耗转换而来的。因此如何优选齿轮参数，使其功率损耗达到最低就成为了齿轮优化设计的另一个目标，因为降低汽车齿轮的功率损耗，不仅可以提高传动效率，降低汽车的燃料消耗，而且还可以延长齿轮的使用寿命。
另外，近年来齿轮的振动和噪声问题也日渐突出。这是由于齿轮承载能力因淬火等工艺而显著提高，以至齿轮在高负荷、高速下运转产生明显振动和噪声。这对汽车特别是轿车的舒适性的影响尤甚。而齿轮的振动和噪声主要与齿轮的参数和轴的刚度有关，所以降低齿轮的振动和噪声也可以作为齿轮的优化设计目标。
本章介绍了作者的项目组研究的另外一个方向的研究成果, 那就是汽车齿轮中的常用标准件的三维精确建模方法与实现。它可以应用于齿轮的快速成形、参数化设计、有限元分析、数控加工、优化设计以及动力学分析等过程，从而为产品的快速设计提供了条件。常用标准件齿轮主要包括圆柱齿轮（直齿、斜齿）、圆弧齿轮（单圆弧、双圆弧）、圆锥齿轮（直齿、斜齿、弧齿、摆线齿）和准双曲面齿轮（弧齿、摆线齿）。
此外，还着重介绍了齿轮的啮合传动关系在计算机上的实现、齿轮设计建模过程、齿轮知识库的建立与应用，各种齿轮(包括格林森和奥林康复杂齿轮)的通用校核计算程序。显然，若能实现上述功能，不仅可使齿轮的设计开发时间大大缩短，而且对设计人员的要求也可降低，使经验不够丰富的年轻设计师也可利用人类积累下来的专家设计经验，又快又好地完成设计。
本章将主要介绍变速器方面2000年后世界领先水平的研究成果和设计方法, 主要内容包括：
1)．汽车变速箱与主传动设计系统软件总体框架，包括界面、数据库、知识库；
2)．汽车主传动比优化设计模块，包括车身、发动机、变速箱匹配的动力性和经济性计算以及主传动比、各档传动比的优化设计；
3)．汽车变速箱各档齿轮校核模块，包括啮合质量、强度、噪声校核；
4)．汽车变速箱各档齿轮优化设计模块，包括约束曲线图、初值设计、各档齿轮参数优化设计；
5)．格林森齿轮校核计算模块，包括弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮参数的选择、尺寸计算、机床调整以及强度计算；
6)．奥林康齿轮校核计算模块，包括摆线齿锥齿轮、准双曲面齿轮参数的选择、尺寸计算、机床调整以及强度计算；
7)．变速箱输入轴与输出轴校核计算模块，包括轴的强度与刚度计算；
8)．变速箱支撑轴承寿命校核计算模块；
9)．齿轮二维标准零件库模块，包括各种齿轮的二维图库（参数化），明细表；
10)．齿轮三维建模模块，包括渐开线圆柱齿轮（直齿、斜齿）、圆弧齿轮（单圆弧、双圆弧）、锥齿轮（直齿、斜齿、弧齿、摆线齿）和准双曲面齿轮（弧齿、摆线齿）的精确建模；

伞齿轮(BEVEL GEAR)/斜齿轮(HELICAL GEAR)/圆柱齿轮(SPUR GEAR)/螺旋伞齿轮(SPIRAL BEVEL GEAR)/蜗轮蜗杠(WORM & WORM WHEEL)/减速机(SPEED REDUCER)/齿轮箱(GEARBOX)等