淺析汽車機械式變速器的可靠性優化設計

陳凌翔

摘 要：變速器是汽車傳動系統的重要組成部分，它對汽車的動力性與經濟性、操縱的可靠性與輕便性、傳動的平穩性與效率都有直接的影響。隨著汽車工業的高速發展和汽車現代設計方法的開發和應用，人們對汽車變速器設計的要求越來越高。

關鍵詞：變速器；汽車

自從汽車采用內燃機作為動力裝置開始，變速器就成為了汽車重要的組成部分。現代汽車上廣泛采用的往復活塞式內燃機具有體積小、質量輕、工作可靠和使用方便等優點，但其轉矩和轉速變化范圍較小，而復雜的使用條件則要求汽車的牽引力和車速能在相當大的范圍內變化。故其性能與汽車的動力性和經濟性之間存在著較大的矛盾，這對矛盾靠現代汽車的內燃機本身是無法解決的。因此，在汽車傳動系中設置了變速器和主減速器，以達到減速增矩的目的。

變速器由變速傳動機構和操縱機構組成。按傳動比變化方式，變速器分為有級式、無級式和綜合式三種。有級式變速器應用最為廣泛。它采用齒輪傳動，具有若干個定值傳動比。無級式變速器的傳動比在一定的范圍內可按無限多級變化，常見的有電力式和液力式（動液式）等。無級變速器是變速器發展的終極目標，因為只有它才能使發動機處于最經濟的工作狀況，才能為整車提供最優的燃油經濟性和最優的動力性，才能給人們提供最舒適的乘坐感覺。綜合式變速器是指由液力變矩器和機械式有級變速器組成的液力機械式變速器，其傳動比可在最大值和最小值之間的幾個間斷范圍內作無級變化，但其傳動效率明顯低于比齒輪傳動效率。

首先，我們來了解一下機械式變速器的可靠性設計方法。機械產品的可靠性是指產品在規定條件下規定時間內完成規定功能的能力。可靠性設計理論的基本任務是在可靠性物理研究的基礎上，結合可靠性試驗及可靠性數據的統計與分析，提出可供實際設計計算用的物理數學模型和方法，以便在產品設計階段就能規定其可靠性指標或估計、預測機器及其主要零部件在規定工作條件下的工作能力、狀態或壽命，保證所設計的產品具有所需要的可靠度。可靠性設計方法考慮了載荷和零、部件的尺寸及材料性能數據的分散性。可靠性設計中所用的參數和公式，都是通過多次實驗及測定所得的各種數據、通過概率統計推導而得到的，它是以概率統計為數學基礎。可靠性設計的目的是將失效限制在一個可以接受的限度之內，客觀地反映產品設計和運行的真實情況，定量地給出產品在使用中的失效概率或可靠度。

接下來，我們再來了解一些機械優化設計理論。機構運動參數的優化設計是機械優化設計中發展較早的領域，不僅研究了連桿機構、凸輪機構等再現函數和軌跡的優化設計問題，而且還提出一些標準化程序。機構動力學優化設計方面也有很大進展，如慣性力的最優平衡，主動件力矩的最小波動等的優化設計。機械零、部件的優化設計最近十幾年也有很大發展，主要是研究各種減速器的優化設計、液壓軸承和滾動軸承的優化設計以及軸、彈簧、制動器等的結構參數優化。

由于機械優化設計是采用數學的方法尋求機械設計的最優方案，所以首先要根據實際的機械設計問題建立相應的數學模型。機械優化設計的數學模型就是描述優化問題的設計內容、變量關系、有關設計條件和優化意圖的數學表達式。建立數學模型是優化設計的基礎，數學模型能否嚴密而準確地反映優化問題的實質，是優化設計成敗的關鍵。優化設計數學模型的建立包括三個方面：目標函數，設計變量和約束條件。通常情況下，優化設計問題可以這樣來描述：恰當選擇設計變量，在滿足約束的條件下，使目標函數取得最優值。在優化設計數學模型中，若目標函數和約束函數都是設計變量的線性函數，

最后，我們再來詳細談一下優化設計的具體內容。對于汽車加速器來講這個問題就屬于數學規劃中的線性規劃問題；若它們不全是設計變量的線性函數，那么就屬于非線性規劃問題。若所有設計變量只能取整數，那么就屬于整數規劃問題。如果不存在約束就稱無約束優化問題，否則就稱約束優化問題。約束優化問題又分為等式約束、不等式約束和混合約束三種情況。

優化算法的基本思想是在設計空間中選定一個初始點，從這一點出發，按照某一優化方法所規定的原則，確定適當的方向與步長，在此方向上獲得一個使目標函數值有所下降的設計點，然后以此點作為新的初始點，重復上面過程，直至得到滿足精度要求的最優點。在實際工程應用中，很多優化問題有多個評價角度，這就需要多個目標函數，這些目標函數的優化往往是相互矛盾的，必須在各個目標函數之間尋找一個最優點使得各個目標函數都能得到優化，這就是多目標優化問題。從數學模型中可以看出，多目標優化問題與單目標優化問題的主要不同點在于多目標優化是一個向量的優化。

多目標優化問題的求解是個很復雜的問題，方法很多，其中最常用的有兩大類：一類是直接求出非劣解，然后從中選擇較好解；另一類是將多目標優化問題重新構造一個函數，即評價函數，從而將多目標優化問題轉化為單目標優化問題。為了使設計的產品滿足可靠性要求的同時，又是最優的設計結果，就必須把可靠性設計和優化設計結合起來，即機械可靠性優化設計。無論單方面進行可靠性設計還是優化設計，都不可能發揮可靠性設計與優化設計的巨大潛力。一方面是因為可靠性設計有時并不能取代優化設計。另一方面是因為優化設計并不一定包含可靠性設計內容。所以要使汽車產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，就必須將可靠性設計和優化設計有機地結合起來，開展汽車零部件可靠性優化設計方法研究。

可靠性優化設計方法的研究己有三十多年的歷史，其發展過程可以大致分為兩大階段：第一階段是以結構元件或單失效模式的失效概率為約束條件來建立數學模型的。它是應用一次二階矩方法，將概率約束轉化為確定約束問題進行優化求解的一種方法，第二階段是以結構系統的失效概率為約束條件（或目標函數）來建立數學模型。現在汽車零部件可靠性優化設計方法普遍采用均值一次二階矩方法。并且就目前情況來說，采用這種方法對汽車零部件進行可靠性優化設計是完全可行的。然而，到目前為止，可靠性優化設計技術還主要停留在理論研究階段，它的實際應用才剛剛起步，在很多機械設計領域中還是空白。目前，人們僅在少數的設計領域中對可靠性優化設計的應用作過一些研究與探討。在汽車變速器設計領域，可靠性設計和優化設計方法已經得到了初步應用，但可靠性優化設計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函數的單目標優化設計，忽略了減小體積所帶來的負面影響——傳動平穩性差、噪聲大等問題。所以，有必要對汽車變速器進行多目標可靠性優化設計，把減小體積和改善傳動平穩性、降低噪聲聯合起來，在矛盾中尋求最優設計點。

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