基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某型號行星變速器傳動效率試驗及預(yù)測研究

楊海軍，楊虎城，黃俊清，喬昱，付中華，馮瑞龍，高峰

（1.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014199）

0 引言

新能源汽車目前正處于高速發(fā)展階段，變速箱作為新能源汽車動力傳動系統(tǒng)的重要組成部分，采用電動機+多擋行星變速箱的傳動形式是解決新能源汽車低速狀態(tài)大轉(zhuǎn)矩要求和高速穩(wěn)定行駛的一個有效途徑，大功率變速箱技術(shù)的發(fā)展對于我國新能源汽車動力平臺整體性能的提升有著十分積極的促進(jìn)作用，極大地促進(jìn)了新能源汽車的發(fā)展。

行星變速器是通過行星齒輪組來轉(zhuǎn)換擋位，實現(xiàn)車輛在行駛中的變速目的，在大型機械設(shè)備傳動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。關(guān)于行星變速器，國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究。張永釗[1]通過分析單個行星排，描述出行星齒輪機構(gòu)的傳動原理規(guī)律，并分析擋位變化；龐小蘭[2]結(jié)合仿真和試驗，著重分析了行星齒輪傳動動態(tài)性能的變化規(guī)律；基于Matlab軟件仿真平臺，李娟玲等[3]分析了大功率拖拉機的液壓機無級變速箱動態(tài)特性；馮輔周等[4]通過3種軟件建立行星變速箱齒輪-箱體剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，分析了行星變速箱4種重要參數(shù)并得到最佳值，并通過試驗驗證了仿真值。符金滔等[5]提出故障量化和加權(quán)評價的方法，有助于簡化變速器機械零件失效分析過程。為提高坦克行星變速箱齒輪故障模式識別的準(zhǔn)確度，吳守軍等[6]提出基于VMD-DE的故障診斷法，并通過試驗驗證了該方法的有效性；張強等[7]基于自由模態(tài)試驗法對行星變速機構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，并同仿真分析進(jìn)行對比，驗證了模態(tài)試驗的重要性。

行星變速器傳動效率是影響整車運行的重要因素，考慮到實際測試設(shè)備造價高、全參數(shù)測試周期較長等問題，本文對一種新型變速器進(jìn)行傳動效率測試，然后以測試數(shù)據(jù)作為樣本，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建傳動效率預(yù)測模型，并驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，為行星變速器傳動效率檢測提供新思路。

1 試驗測試

1.1 試驗準(zhǔn)備

圖1所示為某型號兩擋行星變速器的整體結(jié)構(gòu)，箱體采用鑄造鋁合金結(jié)構(gòu)，傳動零件采用優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，設(shè)計結(jié)構(gòu)在保證尺寸要求的前提下又能滿足剛度、強度要求。

圖1 某型號行星變速器三維結(jié)構(gòu)

在新生產(chǎn)的產(chǎn)品中隨機抽取試驗樣品，將行星變速器安裝在試驗臺上，如圖2所示。將80W/90中負(fù)荷車輛齒輪油加入行星變速器內(nèi)，注油量為行星變速器油位塞冒油為止。變速器輸入轉(zhuǎn)速500 r/min，運轉(zhuǎn)3 min停止，補充加入潤滑油，再次檢查油面高度。

圖2 某型號行星變速器傳動效率測試平臺

給定不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，當(dāng)油溫為（80±5）℃時，利用傳感器分別監(jiān)測并記錄不同工況下行星變速器的輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩。

1.2 數(shù)據(jù)處理及評價指標(biāo)

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

各輸入轉(zhuǎn)速下的傳動效率ηi計算公式為式

中：ηi為變速器各擋傳動效率；M1為第一軸的輸入轉(zhuǎn)矩；M2為輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩；n1為第一軸的輸入轉(zhuǎn)速；n2為輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速。

變速器平均傳動效率計算公式為

式中：η總為變速器平均傳動效率；Ij為變速器各輸入轉(zhuǎn)速的試驗次數(shù)；ηi為變速器各輸入轉(zhuǎn)速的傳動效率。

1.2.2 評價指標(biāo)

在行星變速器掛1擋、輸入轉(zhuǎn)速為1554 r/min、輸入力矩為1100 N·m、油溫為80 ℃的試驗條件下，傳動效率≥95%。

1.3 結(jié)果分析

1.3.1 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化

在電動機的帶動下，行星變速器掛1擋，輸入轉(zhuǎn)速從204 r/min提升到1408 r/min，給定不同的輸入轉(zhuǎn)矩，監(jiān)測在正反轉(zhuǎn)工況下的輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩變化，如圖3、圖4所示。正轉(zhuǎn)工況監(jiān)測43次，反轉(zhuǎn)工況監(jiān)測39次。

由圖3可知，在正反轉(zhuǎn)工況下，輸出轉(zhuǎn)速始終大于輸入轉(zhuǎn)速，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，輸出轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)速的差值增大。

圖3 輸入和輸出轉(zhuǎn)速變化

由圖4可知，在正反轉(zhuǎn)工況下，輸出轉(zhuǎn)矩始終小于輸入轉(zhuǎn)矩，且隨著轉(zhuǎn)矩的提高，輸出轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)速的差值增大。

圖4 輸入和輸出轉(zhuǎn)矩變化

1.3.2 功率變化

圖5所示為在不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下行星變速器的輸入功率和輸出功率變化。從圖5中可以看出，在每一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，隨著輸入功率的增大，輸出功率和輸入功率差值逐漸增大，功率損失相應(yīng)變大。

圖5 輸入和輸出功率變化

1.3.3 傳動效率

圖6所示為不同功率下的行星變速器正反轉(zhuǎn)的傳動效率。從圖6中可以看出，在規(guī)定測試條件下，除個別測試工況外，該行星變速器基本可以保證傳動效率≥95%，滿足設(shè)計使用要求。

圖6 行星變速器正反轉(zhuǎn)傳動效率

2 預(yù)測研究

2.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖7所示為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式比較簡單，共包含3層，輸入層由信號源節(jié)點組成，隱含層負(fù)責(zé)連接輸入和輸出，對不同輸入賦予不同大小的權(quán)重，輸出層對前面?zhèn)鬟f的輸入做出響應(yīng)，RBF 函數(shù)作為隱層單元變換函數(shù)[8-12]。

圖7 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

作為基函數(shù)的形式有很多種，最常用的為高斯函數(shù)，計算公式[8]為

式中：yk為輸出節(jié)點k的輸出；wik為隱節(jié)點i與輸出節(jié)點k的連接權(quán)值；p為輸出節(jié)點數(shù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測驗證

2.2.1 樣本準(zhǔn)備

將輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率作為輸入層參數(shù)，傳動效率作為輸出層參數(shù)，測試數(shù)據(jù)分別作為訓(xùn)練樣本和驗證樣本。為了保證訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的預(yù)測準(zhǔn)確性，盡可能取多組數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練。最終，取66組數(shù)據(jù)作為樣本，其中7組作為驗證樣本，驗證網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測準(zhǔn)確度，余下59組作為訓(xùn)練樣本，驗證樣本如表1所示。

表1 驗證數(shù)據(jù)樣本

2.2.2 模型訓(xùn)練

Matlab工具箱中包括多種不同函數(shù)，可用來建立并訓(xùn)練模型。建立RBF網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定誤差為0.003，擴展速度為13，顯示頻率為1，訓(xùn)練模型自行調(diào)整隱層神經(jīng)元數(shù)目，初始設(shè)定為300。由圖8可知，經(jīng)過43步迭代后，滿足訓(xùn)練精度要求。

圖8 RBF網(wǎng)絡(luò)均方差與訓(xùn)練步數(shù)關(guān)系

2.3 預(yù)測結(jié)果分析

圖9所示為利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對行星變速器傳動效率進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果，并同試驗值進(jìn)行了對比。從圖9中可以看出，傳動效率預(yù)測曲線和試驗曲線走向基本一致。對比預(yù)測結(jié)果和試驗值，傳動效率均相差較小，最大差值為0.22，且出現(xiàn)在輸入轉(zhuǎn)速為-1173 r/min和輸入轉(zhuǎn)矩為-366 N·m的工況，說明試驗測試值具有可信性和普遍性，預(yù)測模型預(yù)測精度較高。

圖9 預(yù)測值和測試值對比

3 結(jié)論

本文首先采用試驗測試方法，監(jiān)測新型行星變速器在1擋轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，并計算傳動功率和傳動效率；然后將各工況下傳動效率作為樣本數(shù)據(jù)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立行星變速器傳動效率預(yù)測模型，并成功進(jìn)行訓(xùn)練和驗證。研究表明：某型號行星變速器的傳動效率滿足設(shè)計使用要求；構(gòu)建的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能較好地預(yù)測行星變速器的傳動效率。