陳凌翔

摘 要：變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，它對汽車的動力性與經(jīng)濟性、操縱的可靠性與輕便性、傳動的平穩(wěn)性與效率都有直接的影響。隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展和汽車現(xiàn)代設(shè)計方法的開發(fā)和應(yīng)用，人們對汽車變速器設(shè)計的要求越來越高。

關(guān)鍵詞：變速器；汽車

自從汽車采用內(nèi)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?，F(xiàn)代汽車上廣泛采用的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機具有體積小、質(zhì)量輕、工作可靠和使用方便等優(yōu)點，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的牽引力和車速能在相當大的范圍內(nèi)變化。故其性能與汽車的動力性和經(jīng)濟性之間存在著較大的矛盾，這對矛盾靠現(xiàn)代汽車的內(nèi)燃機本身是無法解決的。因此，在汽車傳動系中設(shè)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(gòu)和操縱機構(gòu)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(yīng)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(nèi)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(fā)展的終極目標，因為只有它才能使發(fā)動機處于最經(jīng)濟的工作狀況，才能為整車提供最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性和最優(yōu)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(nèi)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(shè)計方法。機械產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計理論的基本任務(wù)是在可靠性物理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性試驗及可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，提出可供實際設(shè)計計算用的物理數(shù)學模型和方法，以便在產(chǎn)品設(shè)計階段就能規(guī)定其可靠性指標或估計、預(yù)測機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)計的產(chǎn)品具有所需要的可靠度。可靠性設(shè)計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?？煽啃栽O(shè)計中所用的參數(shù)和公式，都是通過多次實驗及測定所得的各種數(shù)據(jù)、通過概率統(tǒng)計推導(dǎo)而得到的，它是以概率統(tǒng)計為數(shù)學基礎(chǔ)?？煽啃栽O(shè)計的目的是將失效限制在一個可以接受的限度之內(nèi)，客觀地反映產(chǎn)品設(shè)計和運行的真實情況，定量地給出產(chǎn)品在使用中的失效概率或可靠度。

接下來，我們再來了解一些機械優(yōu)化設(shè)計理論。機構(gòu)運動參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是機械優(yōu)化設(shè)計中發(fā)展較早的領(lǐng)域，不僅研究了連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等再現(xiàn)函數(shù)和軌跡的優(yōu)化設(shè)計問題，而且還提出一些標準化程序。機構(gòu)動力學優(yōu)化設(shè)計方面也有很大進展，如慣性力的最優(yōu)平衡，主動件力矩的最小波動等的優(yōu)化設(shè)計。機械零、部件的優(yōu)化設(shè)計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、液壓軸承和滾動軸承的優(yōu)化設(shè)計以及軸、彈簧、制動器等的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

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

最后，我們再來詳細談一下優(yōu)化設(shè)計的具體內(nèi)容。對于汽車加速器來講這個問題就屬于數(shù)學規(guī)劃中的線性規(guī)劃問題；若它們不全是設(shè)計變量的線性函數(shù)，那么就屬于非線性規(guī)劃問題。若所有設(shè)計變量只能取整數(shù)，那么就屬于整數(shù)規(guī)劃問題。如果不存在約束就稱無約束優(yōu)化問題，否則就稱約束優(yōu)化問題。約束優(yōu)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(yōu)化算法的基本思想是在設(shè)計空間中選定一個初始點，從這一點出發(fā)，按照某一優(yōu)化方法所規(guī)定的原則，確定適當?shù)姆较蚺c步長，在此方向上獲得一個使目標函數(shù)值有所下降的設(shè)計點，然后以此點作為新的初始點，重復(fù)上面過程，直至得到滿足精度要求的最優(yōu)點。在實際工程應(yīng)用中，很多優(yōu)化問題有多個評價角度，這就需要多個目標函數(shù)，這些目標函數(shù)的優(yōu)化往往是相互矛盾的，必須在各個目標函數(shù)之間尋找一個最優(yōu)點使得各個目標函數(shù)都能得到優(yōu)化，這就是多目標優(yōu)化問題。從數(shù)學模型中可以看出，多目標優(yōu)化問題與單目標優(yōu)化問題的主要不同點在于多目標優(yōu)化是一個向量的優(yōu)化。

多目標優(yōu)化問題的求解是個很復(fù)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(yōu)化問題重新構(gòu)造一個函數(shù)，即評價函數(shù)，從而將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題。為了使設(shè)計的產(chǎn)品滿足可靠性要求的同時，又是最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，就必須把可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計結(jié)合起來，即機械可靠性優(yōu)化設(shè)計。無論單方面進行可靠性設(shè)計還是優(yōu)化設(shè)計，都不可能發(fā)揮可靠性設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的巨大潛力。一方面是因為可靠性設(shè)計有時并不能取代優(yōu)化設(shè)計。另一方面是因為優(yōu)化設(shè)計并不一定包含可靠性設(shè)計內(nèi)容。所以要使汽車產(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)計和優(yōu)化設(shè)計有機地結(jié)合起來，開展汽車零部件可靠性優(yōu)化設(shè)計方法研究。

可靠性優(yōu)化設(shè)計方法的研究己有三十多年的歷史，其發(fā)展過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建立數(shù)學模型的。它是應(yīng)用一次二階矩方法，將概率約束轉(zhuǎn)化為確定約束問題進行優(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（或目標函數(shù)）來建立數(shù)學模型。現(xiàn)在汽車零部件可靠性優(yōu)化設(shè)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(yōu)化設(shè)計是完全可行的。然而，到目前為止，可靠性優(yōu)化設(shè)計技術(shù)還主要停留在理論研究階段，它的實際應(yīng)用才剛剛起步，在很多機械設(shè)計領(lǐng)域中還是空白。目前，人們僅在少數(shù)的設(shè)計領(lǐng)域中對可靠性優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用作過一些研究與探討。在汽車變速器設(shè)計領(lǐng)域，可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計方法已經(jīng)得到了初步應(yīng)用，但可靠性優(yōu)化設(shè)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(shù)的單目標優(yōu)化設(shè)計，忽略了減小體積所帶來的負面影響——傳動平穩(wěn)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(yōu)化設(shè)計，把減小體積和改善傳動平穩(wěn)性、降低噪聲聯(lián)合起來，在矛盾中尋求最優(yōu)設(shè)計點。

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