優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車變速箱上應(yīng)用

何佳穎，夏奎，孟慶龍，郝悅

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優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車變速箱上應(yīng)用

何佳穎，夏奎，孟慶龍，郝悅

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于汽車的各項(xiàng)性能要求日益提高。保證汽車產(chǎn)品具有優(yōu)良性能、減少汽車整體及零部件的自重和體積、降低汽車生產(chǎn)成本和使用成本成為汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，對(duì)汽車零部件進(jìn)行有效的優(yōu)化，成為了汽車設(shè)計(jì)者的追求。文章主要介紹了汽車變速箱設(shè)計(jì)中一些常用的優(yōu)化方法（遺傳優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、拓?fù)鋬?yōu)化），并對(duì)這些方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

變速箱；優(yōu)化；算法

前言

在汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)中，有很多因素需要同時(shí)考慮，從而涉及到很多有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，可以說(shuō)優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)滲透到汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中的方方面面。變速箱是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件之一，是完成汽車動(dòng)力傳輸?shù)闹匾M成部分，同時(shí)也決定著汽車在工作狀態(tài)下的整車性能。在汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，汽車變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得非常重要，其中的重要意義在于提升汽車在工作狀態(tài)中的整體性能，同時(shí)使得汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量得到顯著提高。優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)包括最佳的生產(chǎn)成本、使用成本以及社會(huì)效益。一個(gè)理想的汽車變速箱，除了使汽車具有良好的動(dòng)力性外，還應(yīng)在可靠的工作條件下，做到體積小、用料省、質(zhì)量輕。同時(shí)，能夠輕便地進(jìn)行換擋，有效地降低工作噪聲等。

1 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的理論、方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等建立反映工程設(shè)計(jì)問題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)自動(dòng)找出設(shè)計(jì)問題的最優(yōu)方案[1]。

機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)目前是一門比較熱門的學(xué)科。優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越科學(xué)化、系統(tǒng)化，它包含著數(shù)學(xué)規(guī)劃方面的理論與方法，同時(shí)也與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)緊密結(jié)合。隨著時(shí)代的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。為使得所期望的指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算可以輕松解決很多問題。有時(shí)所期望的指標(biāo)不止一個(gè)，數(shù)學(xué)規(guī)劃與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序的結(jié)合可以清楚的分析其中的問題并解決所遇到的難題，從而使得多目標(biāo)達(dá)到綜合最優(yōu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)中可以大大提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量到達(dá)最優(yōu)。為了得到較為完善的或者最合適的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)被應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中處于越來(lái)越重要的位置，被認(rèn)為是一種非常重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。

2 汽車變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，優(yōu)化的目的是在設(shè)計(jì)時(shí)能夠改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率；同時(shí)使得整個(gè)汽車系統(tǒng)在工作狀態(tài)中達(dá)到理想的性能。變速箱作為汽車的重要組成部分，它的優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響著整車。在傳動(dòng)系統(tǒng)中，汽車變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)是為了動(dòng)力在傳遞過程中保持良好的性能，包括經(jīng)濟(jì)方面的性能以及動(dòng)力輸出；在變速箱系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是為了讓汽車變速箱在相同的工作條件下達(dá)到外形的優(yōu)化、體積的減小、材料的節(jié)省等。變速箱的優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)問題，這是因?yàn)橛绊懽兯傧湫阅艿囊蛩赜泻芏?，在相同的工作條件下保證變速箱是整體尺寸最小應(yīng)該作為一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。變速箱齒輪的大小主要由齒輪軸、齒輪、齒輪軸中心距決定，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)讓這些因子到達(dá)綜合最優(yōu)來(lái)保證變速箱尺寸的優(yōu)化。影響汽車駕駛平穩(wěn)性中的因素中，變速箱齒輪的重合度是一個(gè)重要因素，也應(yīng)該作為優(yōu)化的目標(biāo)。變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅有以上因素，還有例如質(zhì)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等其它因素構(gòu)成，在優(yōu)化過程中都需要考慮。

2.1 遺傳優(yōu)化算法

遺傳算法一類隨機(jī)搜索算法，它是從孟德爾的遺傳學(xué)說(shuō)和達(dá)爾文的進(jìn)化論中吸收而來(lái)，并且通過對(duì)這種生物進(jìn)化的理解來(lái)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，從而進(jìn)行演化而來(lái)，得到一種隨機(jī)搜索算法。遺傳算法的特點(diǎn)是具有從全局中尋優(yōu)的能力，并且可以自動(dòng)地去適應(yīng)和調(diào)整尋優(yōu)的搜索方向，僅僅使用的是適應(yīng)度函數(shù)值就可以進(jìn)行相關(guān)評(píng)估，并且以此為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行遺傳操作，因而使得遺傳算法在效率方面比普通優(yōu)化搜索方法要高。

通過對(duì)遺傳算法的發(fā)展，出現(xiàn)了多種基于遺傳算法的改進(jìn)算法，其中遺傳算法NSGA－Ⅱ在多目標(biāo)優(yōu)化算法中是較為先進(jìn)的。它是基于Pareto方法的優(yōu)化算法中最為有效的多目標(biāo)優(yōu)化算法，其中，快速非支配排序使算法具有較低的計(jì)算復(fù)雜度；帶有精英策略保證某些優(yōu)良種群在進(jìn)化中不會(huì)丟失；較少的共享參數(shù)減少人為對(duì)優(yōu)化結(jié)果精度的影響[2]。

在變速箱優(yōu)化設(shè)計(jì)中涉及因素與問題是比較多的，其中包括對(duì)變速箱殼體的輕量化進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變速箱齒輪的強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變速箱零部件的可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還有關(guān)于變速箱再制造工藝決策的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。每一類問題涉及的目標(biāo)變量都較多，且多為非線性問題，用普通優(yōu)化方法難以求解，而遺傳算法及其發(fā)展的算法可以方便快速求解，所以該方法適用于變速箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

遺傳算法已經(jīng)在汽車變速箱優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并且有很多成功的案例。其中安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)利用NSGA－Ⅱ算法對(duì)包含2個(gè)目標(biāo)函數(shù)、33個(gè)設(shè)計(jì)變量和115個(gè)約束條件的微耕機(jī)變速箱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，使變速箱體積減少15.96%，重合度提高4.60%[3]。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有優(yōu)良的非線性逼近特性、并行式分布結(jié)構(gòu)、較好的容錯(cuò)性以及自適應(yīng)學(xué)習(xí)和歸納能力，使其在諸如建模、時(shí)間序列分析、模式識(shí)別、信號(hào)處理和工業(yè)控制等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是至今為止應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的基本思想是，在學(xué)習(xí)過程中有信號(hào)的正向傳播，也有誤差的反向傳播。學(xué)習(xí)過程由這兩種傳播組成，在正向傳播與反向傳播中，各層的權(quán)值不斷得到調(diào)整，也就是網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程，此過程直到達(dá)到誤差可接受的程度結(jié)束。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法經(jīng)常被用在汽車變速箱的故障檢測(cè)當(dāng)中。

變速箱作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，一旦發(fā)生故障將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成重大影響，所以對(duì)變速箱進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷，提前發(fā)現(xiàn)故障征兆并采取積極的維修策略，對(duì)預(yù)防重大事故的發(fā)生具有重要的作用。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法檢測(cè)變速箱故障時(shí)，首先應(yīng)該進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過在實(shí)驗(yàn)中獲得的在故障和無(wú)故障兩種狀態(tài)下的相關(guān)監(jiān)控參數(shù)，然后經(jīng)過預(yù)處理設(shè)為網(wǎng)絡(luò)的輸入模式；在此基礎(chǔ)上建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練使其能夠到達(dá)提前設(shè)定的診斷精度；最后通過對(duì)不同的輸入故障征兆相關(guān)向量進(jìn)行測(cè)試，能夠獲得在該種狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)輸出模式，經(jīng)過處理后得到診斷結(jié)果。

由于振動(dòng)信息中包含著豐富的工作狀態(tài)信息和故障特征信息，可以有效的識(shí)別變速箱的狀態(tài)，所以分別獲取變速箱在正常狀態(tài)、故障狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)，并加以分析和分類，通過采集的振動(dòng)信息，可以建立基于振動(dòng)信號(hào)的變速箱故障診斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而便于故障的模式識(shí)別。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化算法

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定負(fù)載、約束及優(yōu)化目標(biāo)，在特定區(qū)域內(nèi)尋求材料分布最合理的優(yōu)化方法，在汽車變速箱優(yōu)化方面，主要應(yīng)用于變速箱箱體的設(shè)計(jì)優(yōu)化，目的是使變速箱箱體材料在滿足剛度等約束條件的前提下，在給定的區(qū)域內(nèi)使材料分布更合理[5]。在優(yōu)化過程中，給定的設(shè)計(jì)區(qū)域一般保持不變，而微結(jié)構(gòu)的孔洞大小可以變化，如某一部分區(qū)域的微結(jié)構(gòu)全部為孔洞，則這部分區(qū)域便被從設(shè)計(jì)區(qū)域上“移走”，從而形成一個(gè)大孔洞，如部分區(qū)域上微結(jié)構(gòu)孔洞全部消失，則這部分區(qū)域上便組成“實(shí)在結(jié)構(gòu)”[6]。這樣初始設(shè)計(jì)均勻分布在設(shè)計(jì)區(qū)域上的材料便重新分布，形成新的結(jié)構(gòu)形式，得到結(jié)構(gòu)在一定條件下的最優(yōu)拓?fù)鋄7]。

優(yōu)化的方法有變密度法、水平集法、均勻化方法以及漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法，且其中的變密度法已經(jīng)在一些商用優(yōu)化軟件中得以應(yīng)用。其基本原理為以有限元方法為依靠，將特定區(qū)域內(nèi)的材料離散成有限多個(gè)單元，再根據(jù)算法來(lái)確定這些單元是保留還是舍去，最終留下的單元為最優(yōu)的拓?fù)浞桨竵?lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。

對(duì)于變速箱箱體，通過整體的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可以發(fā)現(xiàn)變速箱箱體薄弱環(huán)節(jié)以及需要優(yōu)化的部位。山東大學(xué)曾成功在變速箱上應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法[8]。山東大學(xué)應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法中的變密度法，對(duì)重載變速箱箱體進(jìn)行以體積最小為目標(biāo)，以應(yīng)力和形變作為約束條件的設(shè)計(jì)，最終使變速箱箱體減重11.68%，最大形變量降低20.2%且綜合性能提高，不僅可以使汽車變速箱達(dá)到輕量化要求，還可以使得其可靠性得到提高。

3 總結(jié)

影響汽車變速箱性能的因素有非常多個(gè)，對(duì)于不同種類和大小的變速箱影響因素也不盡相同。通過對(duì)影響汽車變速箱的各個(gè)因素進(jìn)行分析，選用合適的優(yōu)化算法對(duì)汽車變速箱進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高了汽車變速箱的各個(gè)性能的同時(shí)，優(yōu)化了整車性能。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類優(yōu)化方法都有了極大的發(fā)展。使用合適的優(yōu)化方法來(lái)進(jìn)行汽車變速箱的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、維修，將會(huì)使得整個(gè)工作效率得到極大的提高，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 宋志強(qiáng).機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法綜述[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2012, 20(05):71-73+61.

[2] 劉旭東.基于NSGA-Ⅱ遺傳算法的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化模擬研究[J].科技廣場(chǎng), 2015(9):100-103.

[3] 曾晨,李兵,王小勇,等.基于NSGA-Ⅱ算法的微耕機(jī)變速箱多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動(dòng),2016(7):87-91.

[4] 楊梅,卿曉霞,王波.基于改進(jìn)遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2009-05-01.

[5] 王顯會(huì),許剛,李守成,等.特種車輛車架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào),2007,28(8):903-908.

[6] 馬德森.基于節(jié)點(diǎn)密度的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究[J].大連理工大學(xué),2007-12-01

[7] 張光炯,張保成.基于HyperWorks的柴油機(jī)油底殼拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造, 2010-01-01.

[8] 張喜清,項(xiàng)昌樂,劉輝.多工況下變速箱箱體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2001,22(15):1779-1783.

The Applications of Optimized design in Automobile Transmission

He Jiaying, Xia Kui, Meng Qinglong, Hao Yue

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the continuous development of the automobile industry, people's requirements for the performance of cars are increasing. To ensure that automobile products have excellent performance, to reduce the overall weight and volume of the cars, and to reduce the production and use costs of automobiles have become the main tasks of automobile optimization design. The effective optimization of automobile parts has become the pursuit of automobile designers. This research mainly introduces some popular optimized design methods in the design of automobile transmission(Genetic Algorithm, Neural Network Algorithm, Topology Optimization), and these methods are summarized and summarized.

automobile transmission; optimization; algorithm

B

1671-7988(2018)16-140-03

U462

B

1671-7988(2018)16-140-03

CLC NO.: U462

何佳穎，就職于長(zhǎng)安大學(xué)。獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練（201710710013）資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.050