淺談汽車分動器優化設計

魏國鑫 李亞東

摘 要：分動器作為汽車底盤一個關鍵部件，承擔著動力切換以及扭矩分配的功能。本文主要以分時四輪驅動分動器為研究對象，從分動器結構與工作原理、初始數字模型、優化設計等方面進行總結和介紹。

關鍵詞：分動器;設計;遺傳算法

0 概述

分動器是把變速器傳來的動力分配給前后驅動橋，并改變整車的傳動比。分時四輪驅動汽車因為具有兩驅和四驅動力切換可以滿足多種路面需求，所以受到越來越多的消費者青睞，主打SUV越野車型的廠商對分動器的研究和設計更加深入。

1 分動器結構與工作原理

分時四驅是四驅汽車驅動系統的一種形式，是指可以由駕駛者根據路面情況，通過接通或斷開分動器來變化兩輪驅動或是四輪驅動模式，從而實現兩驅和四驅自由轉換的驅動方式。分時四驅平常只利用前輪或是后輪的四輪驅動來行駛，在積雪或石礫路面上能切換成四輪驅動來行使，也叫選擇四輪驅動。這也是越野車或是四驅SUV最常見的驅動模式，其分動器結構示意圖如圖 1 所示。

（1）兩輪驅動時：變速器輸出的扭矩經分動器輸入軸輸入，電機經換擋馬達帶動換擋撥叉移動，使嚙合套的內花鍵與輸入軸嚙合，輸入扭矩經嚙合套傳至輸出軸，此時行星齒輪空轉。

（2）四輪驅動時有四輪驅動高速模式和四輪驅動低速模式兩種模式：1）四輪驅動高速模式。電機帶動換擋馬達轉動，從而帶動換擋撥叉向左及驅動模式撥叉向左移動，此時嚙合套內花鍵與輸入軸嚙合，鎖止套內花鍵與后輸出軸鏈輪外花鍵嚙合，動力由輸入軸輸入，經嚙合套傳至后輸出軸鏈輪，扭矩一方面傳遞至后輸出軸，另一方面經前輸出軸鏈輪傳遞至前輸出軸，從而進入四輪驅動高速模式，此時前后軸扭矩分配比 1∶1。2）當換擋撥叉向右移動時，此時嚙合套與行 星齒輪結構的行星架嚙合，動力由輸入軸經行星齒 輪機構的行星架、嚙合套傳遞至后輸出軸鏈輪，扭矩 一方面傳遞至后輸出軸，另一方面經前輸出軸鏈輪 傳遞至前輸出軸，從而進入四輪驅動低速模式。

2 分動器初始數字模型建立

根據整車最高時速、最大扭矩、最大功率、最高轉速、質量等參數信息，計算并確定分動器中心距、齒輪模數、軸徑等參數。

（1）確定分動器結構方案設計，主要確定齒輪、傳動機構形式。（2）確定分動器基本參數，主要包含傳動比、中心距等。（3）分動器齒輪的設計，主要包含模數、壓力角、螺旋角、齒寬、齒數、強度計算、材料選擇等。（4）分動器軸和軸承的設計和校核，主要包含軸的設計原則、尺寸初選、結構設計、嚙合套的設計等。（5）分動器軸強度計算，分析受力、剛度和強度計算。（6）變速器同步器及結構件箱體設計。（7）確定各部件結構類型后，利用ADANS/View提供的零件幾何圖形，建立分動器初始數字模型。

3 分動器優化設計

（1）目標函數。1）分時四驅汽車一般在兩驅工況下使用較多，兩驅和四驅切換時車速較低，因此優化設計時主要考慮到四驅工況時車輛爬坡能力，選取動力性指標中的最大爬坡度作為評價指標。2）考慮城市環境下四驅車輛車速不高，百公里燃油消耗量作為評價指標，選取車速分別為20 km/h、40 km/h、60 km/h工況下的混合燃油消耗量作為評價燃油經濟性的指標，每種工況系數各取1/3。3）為了使齒輪傳動平穩，減小傳動中的沖擊及降低傳動噪聲，選取齒輪重合度作為評價分動器振動噪聲的評價指標。

（2）設計變量。由以上目標函數可確定優化設計變量為：行星齒輪中太陽輪齒數、行星輪齒數、齒圈齒數、模數、螺旋角、齒寬、行星輪個數。

（3）約束條件。根據分動器的性能要求及行星輪系的裝配條件、鄰接條件，建立如下約束條件：①確定優化變量的約束范圍。②行星輪系的傳動比條件。③同心條件。④裝配條件。⑤鄰接條件相鄰兩行星輪的齒頂圓不得相交。

（4）實施遺傳算法優化：

1）基于遺傳算法多目標滿意度的Matlab優化流程如圖2所示。

2）為了抑制標準遺傳算法的早熟收斂、局部搜索能力差和后期種群同化現象，采用多目標滿意度遺傳算法進行優化設計，具體步驟如下：①確定變量的可行域，并對可行域內的點進行二進制編碼。②在可行域中產生M 個初始種群，并確定每個種群中個體數目，選取初始種群數為10，每個種群中的個體數目為40。③根據上述地目標函數的確定方法計算各初始種群個體的適應度函數值。④在最大遺傳代數范圍內，對每一個種群中的個體進行選擇、交叉、變異操作，并計算出子代適應度函數值以及在該函數中進行重插入操作，文中選取最優個體最少保持代數為500，代溝為0.9，交叉概率在0.7～0.9 中選擇，變異概率在0.001～0.05中選擇。⑤對適應度高的個體進行移民操作。⑥人工選擇出精華種群，計算出精華種群中的最優個體，判斷當前優化值是否比前一次優化值大， 如果當前優化值比前一次優化值大，則更新最優值;反之，則使最優保持代數加一，并返回到步驟④。

4 AVL-cruise 虛擬仿真驗證

為了驗證優化結果的準確性，基于 AVL-cruise軟件建立車輛的整車仿真模型。在此環境下開展優化前后車輛的動力性、燃油經濟性等性能仿真分析，對比仿真結果，選擇最佳優化方案。

5 結束語

基于多目標滿意度遺傳算法，建立分動器優化模型，不斷優化分動器的結構方案，使其更好的匹配整車其它零部件，進而提升整車設計性能。

參考文獻：

[1]郭學軍.新一代5t級越野汽車全時分動其開發[J].汽車技術，2011.

[2]陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析級ADAMS應用[M].北京：清華大學出版社，2005.