賈曉霞，劉文偉

（1.神木職業(yè)技術學院公共課教學部，榆林 719300； 2.神木職業(yè)技術學院機電工程系，榆林 719300）

引言

在節(jié)能環(huán)保的國家號召下，發(fā)展電動汽車是解決現(xiàn)階段能源問題的最佳可行方案。電動汽車是一種采用電能為驅(qū)動能源或是部分驅(qū)動需要電力系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)的汽車[1，2]。按照汽車動力來源的不同，可將其分為純電動汽車、混合能源汽車以及燃料電池電動汽車等多種類型。電動汽車在經(jīng)濟性與實用性方面逐漸超越了燃油汽車，成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向。大量電動汽車的出現(xiàn)為社會帶來了巨大的經(jīng)濟利益，同時也對電動汽車變速器的安全性與經(jīng)濟性帶來了新的挑戰(zhàn)。電動汽車變速器作為一種特殊的設備，在使用的過程中具有一定的隨機性與間歇性，當其運作時外界環(huán)境對其具有較大的影響性。同時，通過文獻研究可知，冬季低溫環(huán)境下，電動汽車變速器的耗損量達到峰值，為了保證冬季的行車安全，在以往的研究中，提出了低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法。但此方法在使用過程中存在部分不足，因此，在本次研究中將使用層次優(yōu)化算法對其展開針對性處理，并設計基于層次優(yōu)化算法的低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法。

從本質(zhì)上來看，層次優(yōu)化算法是一種分析方法，具有多種表達方式。本次研究中將選擇適合電動汽車的方式，對原有評估方法在使用中的不足展開優(yōu)化，實現(xiàn)對電動汽車變速器的理性推斷。

1 基于層次優(yōu)化算法的低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法設計

根據(jù)層次優(yōu)化算法的使用特點以及電動汽車變速器的運行特征，將本文中提出的基于層次優(yōu)化算法的低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法設計過程。根據(jù)預先設定的流程，實現(xiàn)低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法設計過程。在本次研究中，將主要針對計算部分進行設計。

1.1 低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性指標數(shù)據(jù)估算

在本次研究中，將低溫環(huán)境電動汽車變速器的故障情況通過威布爾分布系數(shù)[3，4]體現(xiàn)，將變速器故障分布規(guī)律設定為兩參數(shù)威布爾分布A(a,)α。使用分析法對其進行處理，并使用線性回歸法將其整合為公式。設定兩參數(shù)威布爾分布A(a,)α的概率密度函數(shù)為f(B)、分布函數(shù)為F(B)以及變速器故障率β(B)，分別如下述公式體現(xiàn)：

上述公式約束條件為B∈ [ 0 ,+∞)；

b—車輛變速器運行參數(shù)；

α—車輛運行特征值。

根據(jù)此公式可得到變速器可靠度K(B)以及不可靠性J(B)兩者之間的關系式，具體如下：

根據(jù)公式可知：

對此公式進行線性回歸化處理，在等式兩邊連續(xù)取兩次對數(shù)則有：

H=-blnα，由此可得到線性函數(shù)如下：

對此公式進行線性回歸，得到對應的線性函數(shù)系數(shù)的估算值。將此估算值設定為數(shù)列的形式，則有(xi,yi)，使用MATLAB軟件對此數(shù)據(jù)進行整合。在本次研究中，將中位秩作為變速器的不可靠函數(shù)J(B)的近似值，則其近似公式可表示為：

由此公式可得到對應的擬合曲線，具體如圖1所示。

使用MATLAB軟件[5]完成擬合過程，得到計算參數(shù)具體如下：

圖1 變速器可靠性指標數(shù)據(jù)估算擬合曲線圖

由此得到相應的電動汽車變速器可靠性指標數(shù)據(jù)估算線性公式如下：

使用此公式，實現(xiàn)對低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性指標數(shù)據(jù)的獲取與處理，并將其作為后續(xù)處理的基礎。

1.2 構建可靠性評估模型

通過文獻研究可知，變速器使用汽車動力系統(tǒng)中的末端，是用戶控制車輛速度的主要設備。由于在此變速器系統(tǒng)由多種微型設備組成，在本次研究中將主要構建變速失效可靠性模型。根據(jù)研究結果可知，變速器控制失效可以通過“運行-停運-運行”的形式進行模擬，將此循環(huán)通過公式的形式體現(xiàn)，則有：

式中：

χ—變速器控制失效率（次/年）；

δ—變速器修復率（次/年）；

MTTR—平均修復時間[6，7]（小時）；

MTTF—平均可控制持續(xù)工作時間（小時）；

x—平均失效頻率（次/年）。

對此公式進行分析可知，可控制狀態(tài)與失控狀態(tài)參數(shù)是兩個獨立的參數(shù)，設定則s與u均可使用年作為單位。使用上述參數(shù)可得到相應的可靠性評估模型，為了保證此模型構建精度，模型中參數(shù)的失效密度函數(shù)展開計算：

式中：

t?—變速器不可控制時的失效率。

根據(jù)可靠性模型的定義與條件，在低溫環(huán)境下，變速器運行時間t發(fā)生控制失效的概率可表示為：

將公式（13）代入公式（12）中，可得到變速器不可控概率，具體公式如下所示：

根據(jù)此公式可得到對應的低溫環(huán)境下變速器失控概率，將此公式與可靠性模型相結合，以此完成變速器可靠性分析過程。

1.3 電動汽車變速器可靠性等級劃分

使用上文中構建的可靠性模型得到變速器在低溫環(huán)境下的控制可靠性，而后使用層次優(yōu)化算法對此結果進行等級劃分。忽略層次分析計算過程，在本次研究中將主要對其劃分后的精準度進行計算，以此保證變速器可靠性評估結果的精準度。首先對其劃分結果的一致性[8，9]進行計算，設定此次研究中的一致性指標為CI，則其計算過程為：

式中：

νmax—可靠性最大取值；

n—可靠性等級個數(shù)。

根據(jù)此公式可得到隨機一致性指標RI，則有：

將上述兩公式整合，得到可靠性等級的一致性比例CR[10]，具體公式如下：

當CR取值小于0.1時，此可靠性評估等級具有有效性，設定q=(q1,q2,...,qn)是變速器可靠性評估結果等級特征，則其滿足一致性要求時，矩陣可表示如下：

根據(jù)此公式，得到低溫環(huán)境下變速器的可靠性評估結果。至此，基于層次優(yōu)化算法的低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法設計完成。

2 實驗論證分析

2.1 低溫實驗環(huán)境仿真

本文中提出了相應的基于層次優(yōu)化算法的低溫環(huán)境電動汽車變速器可靠性評估方法，為了驗證此方法具有一定的使用價值，將其與目前使用中的可靠性評估方法進行對比，完成對文中提出方法的全面研究。為了提升實驗結果的可靠性與真實性，將車輛變速器系統(tǒng)可靠性參數(shù)設定如表1。

將上述變速器系統(tǒng)使用圖像的形式具象化顯示，其圖像如圖2 所示。

通過上述圖像對車輛的變速器系統(tǒng)進行了初步的了解，在此次實驗過程中，將使用文中設計方法與傳統(tǒng)方法對上述描述的變速器系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運行穩(wěn)定性進行評估，并對比兩種方法在使用中的不同之處。

2.2 可靠性評估方法實驗指標設定

在本次實驗中，將通過設定不同實驗指標的形式，得到文中設計方法的使用效果。對大量文獻進行研究后，選取可靠性模型構建效果、可靠性評估方法數(shù)據(jù)承載量以及可靠性評估耗時作為文中設計方法與原有的方法的對比指標。為保證實驗結果的有效性，在實驗的過程中，將實驗對象設定為純電動型車輛，其車輛配置參數(shù)如表2。

將純電動型車輛配置參數(shù)作為實驗數(shù)據(jù)來源，使用文中設計方法與原有方法對其進行處理，完成實驗過程。

2.3 實驗結果分析

在此實驗過程中，將可靠性模型構建效果轉化為可靠性模型構建精度體現(xiàn)。根據(jù)圖3的實驗結果可知，文中設計方法在此指標的實驗結果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。對數(shù)據(jù)進行分析可以看出，文中設計方法在多次構建可靠性模型的過程均體現(xiàn)了較高的構建速度與構建精度。與文中設計方法相比，傳統(tǒng)方法在可靠性模型構建的過程中，其構建效率較低且模型構建后，其精準度較差。如使用此種模型完成變速器可靠性評估過程，會造成評估結果異常且可信度下降的問題。因此，在實際問題的解決中應使用文中設計方法。

表1 車輛變速器系統(tǒng)可靠性參數(shù)

圖2 車輛變速器系統(tǒng)簡化圖

表2 純電動型車輛配置參數(shù)

圖3 可靠性模型構建效果實驗結果

在本次實驗中，文中設計方法可評估數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法相比得到了明顯的提升。在數(shù)據(jù)量不斷增加的過程中，文中設計方法的使用效果較為穩(wěn)定并未出現(xiàn)異常情況。傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)量不斷增加的過程中，傳統(tǒng)方法的使用穩(wěn)定性明顯下降，對變速器可靠性評估會造成一定的影響。與此同時，對實驗中方法可承載數(shù)據(jù)量進行對比（如圖4所示）可知，文中設計方法的數(shù)據(jù)承載量更高。綜合上述實驗結果可知，文中設計方法的數(shù)據(jù)承載量高于文中設計方法。

圖4 可靠性評估方法數(shù)據(jù)承載量實驗結果

對上述實驗結果進行分析可知，在可靠性評估過程中，文中設計方法的耗時情況較低（如圖5所示），在多次實驗的過程中，文中設計方法的可靠性評估效率較高。同時，將上述兩部分實驗結果融入此次實驗對比可以看出，文中設計方法的評估精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)方法對于變速器可靠性評估方法的使用效果與評估效率明顯低于文中設計方法。因此可知，在此指標對比過程中，文中設計方法的實驗結果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

圖5 可靠性評估耗時實驗結果

將可靠性模型構建效果實驗結果、可靠性評估方法數(shù)據(jù)承載量實驗結果以及可靠性評估耗時實驗結果進行綜合分析可知，文中設計方法的效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結束語

此次研究對電動汽車變速器可靠性評估方法進行了全面的分析，其研究成果對于電動汽車的開發(fā)具有指導性作用。但此次研究還具有一定的不足，在日后的研究中還應對其進行研究，提升文中設計方法使用效果，進一步促進電力汽車的發(fā)展。