汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化

樓江天 陸江燕 趙建輝

[摘 ? ?要]隨著人類社會對汽車需求量的增加，對汽車的結構設計和制造水平也提出了新的要求。特別是在采用機械式變速器的汽車設計和制造中，變速器直接關系到汽車最終的動力和操作。鑒于此，提出了一種基于MATLAB的多目標汽車機械變速器變速傳動結構的可靠性優化方法，以助力我國汽車設計和制造，促進我國汽車行業的發展。

[關鍵詞]汽車機械式變速器;變速傳動機構;可靠性優化

[中圖分類號]U463.212 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]With the increase in demand for automobiles in human society， new requirements have been put forward for the structural design and manufacturing level of automobiles. Especially in the design and manufacture of automobiles using mechanical transmissions， the transmission is directly related to the ultimate power and operation of the automobile. In view of this， this article proposes a MATLAB-based reliability optimization method for the variable-speed transmission structure of a multi-objective automobile mechanical transmission， help my country's automobile design and manufacturing， and promote my country's automobile industry development of.

[Keywords]automobile mechanical transmission; variable speed transmission mechanism; reliability optimization

本文提出了一種基于MATLAB的多目標汽車機械變速器變速傳動結構的可靠性優化方法，其中將機械變速器變速傳動結構的內部零件可靠性和系統可靠性對比作為決策變量，使用標準間重要性相關性方法通過標準重要性得出不同目標的權重，并使用損失函數法制定目標函數，為最終用戶提供最佳設計方案。

1 汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化意義

在汽車結構設計中，機械式變速器具有壽命長、成本低、穩定性好的優點。同時，也具有體積大、復雜度高和舒適性差的缺點。由于市場競爭激烈，汽車制造商需要重新設計機械式變速器，以在競爭者中獲得優勢。但是，要做到這一點，就需要一種系統的方法，允許人們考慮多個目標。1886年，戴姆勒、邁巴赫和奔馳發明了他們的第一輛汽車，當時動力工程的先驅們已經開發出了能量傳輸所需的機械部件。在汽車發展中起了重要作用。汽車的動力傳動系統保證了前進和倒退行程的啟動、發動機加速和扭矩轉換功能。這些功能需要執行機構和移動元件來干預功率流，實現發動機轉速和扭矩的轉換。第一輛專門為機動道路交通設計的三輪車只有一個齒輪，沒有啟動離合器。為了讓車運轉起來，需要用飛輪推動或曲柄推動。這輛奔馳三輪車的驅動裝置是一個單缸四沖程循環，安裝位置為984 cc，輸出功率為0.65 kW。本茨利用以下機械部件將發動機的動力傳遞到發動機上：發動機曲軸的末端裝有飛輪，確保發動機平穩運轉，也可用于曲軸發動機。由于發動機是在車軸上建造的，一個斜齒輪以右角排列，在一個很小的空間內傳遞動力成為一個斜齒輪傳動，這樣就把轉速稍微減少到一個中間軸。最后，鏈傳動使得速度進一步降低到動力車軸上。從汽車起源開始的皮帶和鏈傳動逐漸被齒輪傳動所取代。

今天，汽車發動機工作在一個特定的轉速范圍內，這個范圍受怠速和最大轉速的限制。但是，在實際中，動力和扭矩的提供并不統一，最大值也只能在部分情況下使用。因此，汽車變速器根據車輛牽引力的要求，對發動機的發動機轉速和發動機的發動機轉矩進行調整，使得功率基本保持不變。不僅如此，由于內燃機沒有超過其可用速度范圍（怠速到高怠速）的轉矩和功率特性，因此，車輛不能從停止發動機的靜止狀態出發。要做到這一點，它需要一個動力吸收元件（如離合器）。此外，現有的發動機扭矩不足以提供坡度和動力加速，且發動機也只有一個轉動方向，因此，需要一個轉速控制裝置來控制前進?；谏鲜鲈?，變速器位于動力傳動系統的中心位置，對動力傳動系統的增加有很大的影響。

2 汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化模型

為了提高變速器在減速損失、扭矩振蕩和換檔時間減少方面的換檔質量，需要精確和復雜的控制策略。由于汽車機械式變速器變速傳動系統本質上是一個混合系統，傳動軸的連續動力學（質量-彈簧-阻尼器動力學）和離散動力學相結合。因此，本文將以機動過程中車輪速度損失最小為目標的性能指標的優化。這個指標包括減少傳動系統振蕩、移動時間和最優控制的必要條件，定義了最優控制輸入的類別，而最優換檔控制問題則作為數值參數最佳化問題求解，并建立數學模型。這種數學建模用于在系統開發過程中對變速控制算法設計進行不同的仿真，從而能夠評估可實現的性能及其對系統屬性的依賴性。

該模型是根據以下假設推導出來的：將傳動系統動力學模型化為質量-彈簧-阻尼系統，其中只考慮了第二軸的扭轉剛度和阻尼;發動機被模擬為一個具有恒定慣性的理想扭矩驅動器和一個一階線性濾波器，在指令和產生的發動機扭矩之間進行控制;在發動機的凈扭矩中考慮摩擦損失。因為在所提出的控制策略中，轉向盤應該總是鎖定的，等效的發動機慣量考慮到了發動機、曲軸、飛輪、離合器盤和主軸;變速箱執行機構的控制輸入是一個離散值信號，表示所要求的齒輪或中性狀態;當一個齒輪嚙合時，主軸和次軸的速度與相應的齒輪比率相關。在中性相中，主軸和副軸沒有連接，接合過程通過同步階段完成，在主副軸轉速具有校正時，同步器通過摩擦力矩來消散動能;考慮到輪胎的無限剛度和無輪胎打滑，簡化了輪胎與路面的相互作用，即輸出;考慮電動機功率對轉矩孔補償程度的影響，同時要注意電動機規格的實際限制。具體模型算法流程如圖1所示。

在實際針對這一優化設計來搭建可靠性設計模型的過程中，需要從技術水平、成本費用以及工藝復雜程度等來實現可靠度的分配，利用關于極限狀態參數的有限信息來估計零件可靠性的方法，用來評估靜態強度、疲勞強度和軸剛度方面的可靠性。在實際踐行的過程中：要以零部件故障相對獨立作為假設條件與前提，相應變速器的壽命與指數分布相符，在此基礎上，將傳動結構的可靠度進行分配，分別分配與變速器的軸、齒輪、軸承以及花鍵，而基于變速器軸下，相應可靠度進行分解后，是由疲勞剛度與軸疲勞強度構成，以Rs剛以及Rs強進行表示;基于變速齒輪下，進行可靠度分解后是由齒輪接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度構成，以Rc接與Rc彎表示;基于花鍵下，相應可靠度分解后為疲勞強度，以Rj進行表示?；诖?，就得出了基于機械式變速器下相應變速傳統機構的可靠性分配模型，即Rs×Rs剛×Rs強Rc接×Rc彎×Rj強。

3 汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化實現

本文應用MATLAB工具箱實現了汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化。第一個MATLAB版本于1970年在新墨西哥大學和斯坦福大學完成。MATLAB編程語言可以實現一個相互作用的工作任務，如同一個解釋程序一樣，可以實現MATLAB編程語言的全部功能。MATLAB是所謂的“toolboxen”在不同的語言環境下的運行，這些工具包括符號的數學計算、模擬、信號處理、邏輯推理、模糊邏輯、神經網絡和其他工具。通過許多變量來定義觸覺移位的期望行為，例如力分布、齒輪數量、行程、形狀等，并且可以立即在設備上測試它的實際性能。其中許多參數也可以實時改變。該應用程序的另一個有價值的特點是可以模擬影響傳動的不良條件，如齒輪錯誤嚙合或機械振動等，在產品開發的設計階段，可以極大降低時間和成本。

在汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化設計過程中，需要將所有的設計元素融合在一起，可以提前預測受影響的問題。這種機制可以通過一個簡單的專家系統來解釋，從而找到解決已有問題的有效方法。MATLAB為汽車變速器傳動結構的可靠性設計和基準開發了一個可靠性優化應用界面。這個界面可以很容易地重新配置一個兩度自由度的反饋裝置，以便測試諸如變速傳動或動力學等多種設計特性，用作一個通用原型，在這個原型上可以立即測試新的設計思想。具體界面如圖2所示。

在調試的過程中，只需要改變初始值，其余約束條件不變，在此基礎上，針對不同初始值下的優化結果，進行對比分析后明確是否存在不同。同時，也可以以變量與目標函數為不變條件，并將其中的某個約束條件去除，進而針對這一約束條件去除前后的優化結果進行對比分析，以此來明確對約束條件的敏感程度。在進行這一優化后，得出的結果是：一檔齒輪小齒輪的彎曲疲勞強度對優化結果產生的影響最大。

4 結語

機械式變速器以其效率高、重量輕、成本低等優點得到了廣泛的應用。但是，機械式變速器也會因感應振蕩而使乘客感到不舒適。為了限制這種振蕩，提升機械式變速器的穩定性，論述了汽車機械式變速器中，變速傳動結構的穩定性優化意義，構建了汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化模型，并最終提出了汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性優化實現方法和結果。

參考文獻

[1] 李鵬，王曉娟，鄧慶斌.手動變速器齒輪承載能力仿真計算及試驗驗證[C].2017中國汽車工程學會年會論文集，2017.

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