淺析汽車(chē)機(jī)械式變速器的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳凌翔

摘 要：變速器是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性、操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性與效率都有直接的影響。隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展和汽車(chē)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，人們對(duì)汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。

關(guān)鍵詞：變速器；汽車(chē)

自從汽車(chē)采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置開(kāi)始，變速器就成為了汽車(chē)重要的組成部分。現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛采用的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、工作可靠和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小，而復(fù)雜的使用條件則要求汽車(chē)的牽引力和車(chē)速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。故其性能與汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾，這對(duì)矛盾靠現(xiàn)代汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)本身是無(wú)法解決的。因此，在汽車(chē)傳動(dòng)系中設(shè)置了變速器和主減速器，以達(dá)到減速增矩的目的。

變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。按傳動(dòng)比變化方式，變速器分為有級(jí)式、無(wú)級(jí)式和綜合式三種。有級(jí)式變速器應(yīng)用最為廣泛。它采用齒輪傳動(dòng)，具有若干個(gè)定值傳動(dòng)比。無(wú)級(jí)式變速器的傳動(dòng)比在一定的范圍內(nèi)可按無(wú)限多級(jí)變化，常見(jiàn)的有電力式和液力式（動(dòng)液式）等。無(wú)級(jí)變速器是變速器發(fā)展的終極目標(biāo)，因?yàn)橹挥兴拍苁拱l(fā)動(dòng)機(jī)處于最經(jīng)濟(jì)的工作狀況，才能為整車(chē)提供最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性和最優(yōu)的動(dòng)力性，才能給人們提供最舒適的乘坐感覺(jué)。綜合式變速器是指由液力變矩器和機(jī)械式有級(jí)變速器組成的液力機(jī)械式變速器，其傳動(dòng)比可在最大值和最小值之間的幾個(gè)間斷范圍內(nèi)作無(wú)級(jí)變化，但其傳動(dòng)效率明顯低于比齒輪傳動(dòng)效率。

首先，我們來(lái)了解一下機(jī)械式變速器的可靠性設(shè)計(jì)方法。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計(jì)理論的基本任務(wù)是在可靠性物理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性試驗(yàn)及可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，提出可供實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算用的物理數(shù)學(xué)模型和方法，以便在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能規(guī)定其可靠性指標(biāo)或估計(jì)、預(yù)測(cè)機(jī)器及其主要零部件在規(guī)定工作條件下的工作能力、狀態(tài)或壽命，保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有所需要的可靠度?？煽啃栽O(shè)計(jì)方法考慮了載荷和零、部件的尺寸及材料性能數(shù)據(jù)的分散性。可靠性設(shè)計(jì)中所用的參數(shù)和公式，都是通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)及測(cè)定所得的各種數(shù)據(jù)、通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)推導(dǎo)而得到的，它是以概率統(tǒng)計(jì)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)?？煽啃栽O(shè)計(jì)的目的是將失效限制在一個(gè)可以接受的限度之內(nèi)，客觀地反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)和運(yùn)行的真實(shí)情況，定量地給出產(chǎn)品在使用中的失效概率或可靠度。

接下來(lái)，我們?cè)賮?lái)了解一些機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)展較早的領(lǐng)域，不僅研究了連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等再現(xiàn)函數(shù)和軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，而且還提出一些標(biāo)準(zhǔn)化程序。機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面也有很大進(jìn)展，如慣性力的最優(yōu)平衡，主動(dòng)件力矩的最小波動(dòng)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)械零、部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)最近十幾年也有很大發(fā)展，主要是研究各種減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、液壓軸承和滾動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及軸、彈簧、制動(dòng)器等的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

由于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是采用數(shù)學(xué)的方法尋求機(jī)械設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案，所以首先要根據(jù)實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型就是描述優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)內(nèi)容、變量關(guān)系、有關(guān)設(shè)計(jì)條件和優(yōu)化意圖的數(shù)學(xué)表達(dá)式。建立數(shù)學(xué)模型是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型能否嚴(yán)密而準(zhǔn)確地反映優(yōu)化問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，是優(yōu)化設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立包括三個(gè)方面：目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量和約束條件。通常情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可以這樣來(lái)描述：恰當(dāng)選擇設(shè)計(jì)變量，在滿足約束的條件下，使目標(biāo)函數(shù)取得最優(yōu)值。在優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型中，若目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)都是設(shè)計(jì)變量的線性函數(shù)，

最后，我們?cè)賮?lái)詳細(xì)談一下優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容。對(duì)于汽車(chē)加速器來(lái)講這個(gè)問(wèn)題就屬于數(shù)學(xué)規(guī)劃中的線性規(guī)劃問(wèn)題；若它們不全是設(shè)計(jì)變量的線性函數(shù)，那么就屬于非線性規(guī)劃問(wèn)題。若所有設(shè)計(jì)變量只能取整數(shù)，那么就屬于整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。如果不存在約束就稱無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，否則就稱約束優(yōu)化問(wèn)題。約束優(yōu)化問(wèn)題又分為等式約束、不等式約束和混合約束三種情況。

優(yōu)化算法的基本思想是在設(shè)計(jì)空間中選定一個(gè)初始點(diǎn)，從這一點(diǎn)出發(fā)，按照某一優(yōu)化方法所規(guī)定的原則，確定適當(dāng)?shù)姆较蚺c步長(zhǎng)，在此方向上獲得一個(gè)使目標(biāo)函數(shù)值有所下降的設(shè)計(jì)點(diǎn)，然后以此點(diǎn)作為新的初始點(diǎn)，重復(fù)上面過(guò)程，直至得到滿足精度要求的最優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，很多優(yōu)化問(wèn)題有多個(gè)評(píng)價(jià)角度，這就需要多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，這些目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化往往是相互矛盾的，必須在各個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間尋找一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)使得各個(gè)目標(biāo)函數(shù)都能得到優(yōu)化，這就是多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。從數(shù)學(xué)模型中可以看出，多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題與單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的主要不同點(diǎn)在于多目標(biāo)優(yōu)化是一個(gè)向量的優(yōu)化。

多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的求解是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，方法很多，其中最常用的有兩大類(lèi)：一類(lèi)是直接求出非劣解，然后從中選擇較好解；另一類(lèi)是將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題重新構(gòu)造一個(gè)函數(shù)，即評(píng)價(jià)函數(shù)，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。為了使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品滿足可靠性要求的同時(shí)，又是最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，就必須把可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，即機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。無(wú)論單方面進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)還是優(yōu)化設(shè)計(jì)，都不可能發(fā)揮可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大潛力。一方面是因?yàn)榭煽啃栽O(shè)計(jì)有時(shí)并不能取代優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面是因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)并不一定包含可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容。所以要使汽車(chē)產(chǎn)品既保證具有足夠的可靠性要求，又保證具有最佳的使用性能和參數(shù)，就必須將可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，開(kāi)展汽車(chē)零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。

可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究己有三十多年的歷史，其發(fā)展過(guò)程可以大致分為兩大階段：第一階段是以結(jié)構(gòu)元件或單失效模式的失效概率為約束條件來(lái)建立數(shù)學(xué)模型的。它是應(yīng)用一次二階矩方法，將概率約束轉(zhuǎn)化為確定約束問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解的一種方法，第二階段是以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率為約束條件（或目標(biāo)函數(shù)）來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)在汽車(chē)零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法普遍采用均值一次二階矩方法。并且就目前情況來(lái)說(shuō)，采用這種方法對(duì)汽車(chē)零部件進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是完全可行的。然而，到目前為止，可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)還主要停留在理論研究階段，它的實(shí)際應(yīng)用才剛剛起步，在很多機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中還是空白。目前，人們僅在少數(shù)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中對(duì)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用作過(guò)一些研究與探討。在汽車(chē)變速器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)得到了初步應(yīng)用，但可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究工作做得比較少。前人所做的研究大多是以變速器體積最小化為目標(biāo)函數(shù)的單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，忽略了減小體積所帶來(lái)的負(fù)面影響——傳動(dòng)平穩(wěn)性差、噪聲大等問(wèn)題。所以，有必要對(duì)汽車(chē)變速器進(jìn)行多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，把減小體積和改善傳動(dòng)平穩(wěn)性、降低噪聲聯(lián)合起來(lái)，在矛盾中尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

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