浅析汽车机械式变速器的可靠性优化设计

陈凌翔

摘 要：变速器是汽车传动系统的重要组成部分，它对汽车的动力性与经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有直接的影响。随着汽车工业的高速发展和汽车现代设计方法的开发和应用，人们对汽车变速器设计的要求越来越高。

关键词：变速器；汽车

自从汽车采用内燃机作为动力装置开始，变速器就成为了汽车重要的组成部分。现代汽车上广泛采用的往复活塞式内燃机具有体积小、质量轻、工作可靠和使用方便等优点，但其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。故其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾，这对矛盾靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。因此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器，以达到减速增矩的目的。

变速器由变速传动机构和操纵机构组成。按传动比变化方式，变速器分为有级式、无级式和综合式三种。有级式变速器应用最为广泛。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。无级式变速器的传动比在一定的范围内可按无限多级变化，常见的有电力式和液力式（动液式）等。无级变速器是变速器发展的终极目标，因为只有它才能使发动机处于最经济的工作状况，才能为整车提供最优的燃油经济性和最优的动力性，才能给人们提供最舒适的乘坐感觉。综合式变速器是指由液力变矩器和机械式有级变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大值和最小值之间的几个间断范围内作无级变化，但其传动效率明显低于比齿轮传动效率。

首先，我们来了解一下机械式变速器的可靠性设计方法。机械产品的可靠性是指产品在规定条件下规定时间内完成规定功能的能力。可靠性设计理论的基本任务是在可靠性物理研究的基础上，结合可靠性试验及可靠性数据的统计与分析，提出可供实际设计计算用的物理数学模型和方法，以便在产品设计阶段就能规定其可靠性指标或估计、预测机器及其主要零部件在规定工作条件下的工作能力、状态或寿命，保证所设计的产品具有所需要的可靠度。可靠性设计方法考虑了载荷和零、部件的尺寸及材料性能数据的分散性。可靠性设计中所用的参数和公式，都是通过多次实验及测定所得的各种数据、通过概率统计推导而得到的，它是以概率统计为数学基础。可靠性设计的目的是将失效限制在一个可以接受的限度之内，客观地反映产品设计和运行的真实情况，定量地给出产品在使用中的失效概率或可靠度。

接下来，我们再来了解一些机械优化设计理论。机构运动参数的优化设计是机械优化设计中发展较早的领域，不仅研究了连杆机构、凸轮机构等再现函数和轨迹的优化设计问题，而且还提出一些标准化程序。机构动力学优化设计方面也有很大进展，如惯性力的最优平衡，主动件力矩的最小波动等的优化设计。机械零、部件的优化设计最近十几年也有很大发展，主要是研究各种减速器的优化设计、液压轴承和滚动轴承的优化设计以及轴、弹簧、制动器等的结构参数优化。

由于机械优化设计是采用数学的方法寻求机械设计的最优方案，所以首先要根据实际的机械设计问题建立相应的数学模型。机械优化设计的数学模型就是描述优化问题的设计内容、变量关系、有关设计条件和优化意图的数学表达式。建立数学模型是优化设计的基础，数学模型能否严密而准确地反映优化问题的实质，是优化设计成败的关键。优化设计数学模型的建立包括三个方面：目标函数，设计变量和约束条件。通常情况下，优化设计问题可以这样来描述：恰当选择设计变量，在满足约束的条件下，使目标函数取得最优值。在优化设计数学模型中，若目标函数和约束函数都是设计变量的线性函数，

最后，我们再来详细谈一下优化设计的具体内容。对于汽车加速器来讲这个问题就属于数学规划中的线性规划问题；若它们不全是设计变量的线性函数，那么就属于非线性规划问题。若所有设计变量只能取整数，那么就属于整数规划问题。如果不存在约束就称无约束优化问题，否则就称约束优化问题。约束优化问题又分为等式约束、不等式约束和混合约束三种情况。

优化算法的基本思想是在设计空间中选定一个初始点，从这一点出发，按照某一优化方法所规定的原则，确定适当的方向与步长，在此方向上获得一个使目标函数值有所下降的设计点，然后以此点作为新的初始点，重复上面过程，直至得到满足精度要求的最优点。在实际工程应用中，很多优化问题有多个评价角度，这就需要多个目标函数，这些目标函数的优化往往是相互矛盾的，必须在各个目标函数之间寻找一个最优点使得各个目标函数都能得到优化，这就是多目标优化问题。从数学模型中可以看出，多目标优化问题与单目标优化问题的主要不同点在于多目标优化是一个向量的优化。

多目标优化问题的求解是个很复杂的问题，方法很多，其中最常用的有两大类：一类是直接求出非劣解，然后从中选择较好解；另一类是将多目标优化问题重新构造一个函数，即评价函数，从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题。为了使设计的产品满足可靠性要求的同时，又是最优的设计结果，就必须把可靠性设计和优化设计结合起来，即机械可靠性优化设计。无论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力。一方面是因为可靠性设计有时并不能取代优化设计。另一方面是因为优化设计并不一定包含可靠性设计内容。所以要使汽车产品既保证具有足够的可靠性要求，又保证具有最佳的使用性能和参数，就必须将可靠性设计和优化设计有机地结合起来，开展汽车零部件可靠性优化设计方法研究。

可靠性优化设计方法的研究己有三十多年的历史，其发展过程可以大致分为两大阶段：第一阶段是以结构元件或单失效模式的失效概率为约束条件来建立数学模型的。它是应用一次二阶矩方法，将概率约束转化为确定约束问题进行优化求解的一种方法，第二阶段是以结构系统的失效概率为约束条件（或目标函数）来建立数学模型。现在汽车零部件可靠性优化设计方法普遍采用均值一次二阶矩方法。并且就目前情况来说，采用这种方法对汽车零部件进行可靠性优化设计是完全可行的。然而，到目前为止，可靠性优化设计技术还主要停留在理论研究阶段，它的实际应用才刚刚起步，在很多机械设计领域中还是空白。目前，人们仅在少数的设计领域中对可靠性优化设计的应用作过一些研究与探讨。在汽车变速器设计领域，可靠性设计和优化设计方法已经得到了初步应用，但可靠性优化设计的研究工作做得比较少。前人所做的研究大多是以变速器体积最小化为目标函数的单目标优化设计，忽略了减小体积所带来的负面影响——传动平稳性差、噪声大等问题。所以，有必要对汽车变速器进行多目标可靠性优化设计，把减小体积和改善传动平穩性、降低噪声联合起来，在矛盾中寻求最优设计点。

参考文献

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