（车辆工程专业论文）轻型货车变速器设计平台研发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 中国的发动机技术已经趋于成熟，已经有很多公司开始在已有发动机的基 础上，合理的匹配变速器，因此许多变速器生产厂家的技术参考来自于汽车制 造厂家的发动机技术参数。结合现代汽车制造的这特点，为了能够快速响应 客户的要求，对变速器设计方法提出了建设性意见并提供了一种有效地参考方 案。 由于传动系参数直接影响着汽车的动力性和燃油经济性，因此变速器参数 设计成为汽车设计中一个重要的组成部分。本文利用最优化设计理论，对汽车 变速器传动比和齿轮参数进行了优化设计，并开发了传动系参数优化设计和强 度校核软件。 本文主要做了以下内容：首先研究了国内外变速器设计软件的优缺点，然 后在总结其的研究成果的基础上提出了一套综合评价汽车动力性与经济性的评 价指标体系。并采用了加权系数综合动力性和燃油经济性作为共同的设计目标， 优化设计变速器的传动比。为了更有效的优化变速器齿轮参数，以变速器体积 最小为优化目标，根据使用要求和结构要求确定了参数的约束原则，然后应用 数学最优化设计方法，对齿轮参数进行优化设计。 其次，在动力传动系参数优化模型的建立及模型分析的基础上，利用c 语 言和m a t l a b 软件为开发工具，编制出了汽车传动系参数优化模块，并以 m a t l a b g u i 为界面开发工具进行了内部界面开发，建立了人机交互界面。该软 件在建立仿真计算模型的基础上，按照最优化设计理论，完成一系列软件功能 的开发工作，包括发动机外特性拟合程序、发动机万有特性拟合程序、变速器 传动比优化程序和和齿轮参数优化程序等。模拟程序、优化程序及图形绘制主 要在m a t l a b 内完成，对于用户操作界面则是利用c 来开发。这样，用户接触 到的只是g u i 软件界面，而模拟计算则隐藏在软件后台。 最后以轻型货车变速器为例，边介绍优化设计过程边计算模拟动力性、经 济性指标和体积目标函数，然后编写程序分别嵌入到不同的设计版块，对变速 器传动比和齿轮参数进行了优化设计，对齿轮和变速器轴刚度进行了校核，结 果均满足要求。并对软件的实用性和可靠性进行了检验，结果令人满意。 关键词：变速器，传动比，齿轮参数，优化设计，m a t l a b a bs t r a c t e n g i n et e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r e di nc h i n a , a n dm a n yc o m p a n i e sh a v e a l r e a d ys t a r t e dt h ew o r kt h a tm a t c hr e a s o n a b l yt r a n s m i s s i o nb a s e do ne n g i n e , s o m a n ym a n u f a c t u r e r so ft r a n s m i s s i o nt e c h n i c a ld a t ac o m ef r o mt h ec a rm a n u f a c t u r e r s e n g i n e t e c h n i c a ld a t a c o m b i n et h e c h a r a c t e r i s t i c so fm o d e ma l i t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g , i no r d e rt ob ea b l et or e s p o n dt oc u s t o m e rr e q u i r e m e n t sq u i c k l y , m a d e c o n s t r u c t i v ev i e w so ft h ed e s i g no ft h et r a n s m i s s i o nm e t h o da n dp r o v i d ea l le f f e c t i v e r e f e r e n c es c h e m e a u t o m o b i l e sp o w e rt r a n s m i s s i o nh a st h er e v e r et r e m e n d o u si n f l u e n c et oc o m p l e t e c a r sp o w e ra n dt h ef u e lo i le f f i c i e n c y t h e r e f o r ei np o w e rt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r d e t e r m i n a t i o ni n t oa u t o m o b i l e d e s i g n a l l i m p o r t a n tc o n s t i t u t e t h i st h e s i su s e s o p t i m i z a t i o nd e s i g nt h e o r y , m a k e so p t i m i z a t i o nd e s i g no nt r a n s m i s s i o ng e a rr a t i o p a r a m e t e r sa n dg e a rp a r a m e t e r so fa u t o m o b i l e a n de x p l o i t st h es o f tw a r eo f t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd e s i g na n d s t r e n g t hc h e c k t h i st h e s i sh a sd o n et h ef o l l o w i n gw o r k ：f i r s to fa l l a n a l y s e st h ed e s i g n s o f t w a r e sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a n s m i s s i o n , t h e ns u mu pt h e i rr e s e a r c hr e s u l t sa n dl o o ka c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t ei n d e xs y s t e mo f a u t o m o t i v ep o w e ra n df u e lo i le f f i c i e n c y a n du s ea w e i g h t e dc o e f f i c i e n tc o m b i n e p o w e ra n df u e le c o n o m ya st h ec o m m o nd e s i g ng o a l s ，t oo p t i m i z ea n dd e s i g n t r a n s m i s s i o ng e a rr a t i o i no r d e rt oo p t i m i z et r a n s m i s s i o ng e a r s p a r a m e t e r sm o r e e f f e c t i v e l y , w i t ht r a n s m i s s i o nv o l u m em i n i m i z e da sg o a l ，a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o na n d s t r u c t u r er e q u i r e m e n t st od e c i d et h ep a r a m e t e r s c o n s t r a i n tp r i n c i p l e s ，a n dt h e na p p l y t h em a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dt oo p t i m i z et h ed e s i g np a r a m e t e r so f g e a r b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o na n da n a l y s i sm o d e lo ft r a n s m i s s i o np a r a m e t e rm o d e l ， u s e sm a t l a ba n dca sat o o lt op r o g r a mt h es o f t w a r eo ft r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n a n da l s ot a k em a t l a b g u ia st h ei n t e r f a c e e x p l o i t i n gt o o lt os e tu p a l li n t e r f a c eo fm u t u a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm e na n dc o m p u t e r s u s i n gm a t l a b a st h ep l a t f o r m ，i th a sav e r yf r i e n d l y i n t e r f a c e ，s t r o n gr u l l c t i o no fm u t u a l n c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm e na n dc o m p u t e r s ，a n d e a s yo p e r a t i o n a lm e t h o d s e x c e p t t h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nf u n c t i o n , t h es o f t w a r ea l s oc a nc a l c u l a t e a t t r a c t i v ep e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y t h ea t t r a c t i v e p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n m a i n l yi n c l u d e st h ee n g i n ee x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c sf i t p r o c e d u r e ，h y b r i d c h a r a c t e r i s t i c sp r o c e d u r e ，t r a n s m i s s i o ng e a rr a t i oa n dg e a rp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n p r o c e d u r e s s i m u l a t i o np r o g r a m ，o p t i m i z a t i o np r o c e d u r e sa n dg r a p h i c sr e n d e r i n g c o m p l e t e dm a i n l yi nm a t l a b ，t h el a s e ri n t e r f a c ei st ou s ect od e v e l o p i nt h i sw a y , t h eu s e ra c c e s st oo n l yt h eg u is o f t w a r ei n t e r f a c e ，a n ds i m u l a t i o ns o f t w a r ei sl l i d d e l l i nt h eb a c k g r o u n d a tl a s t ，u s el i g h tg o o d sv e h i c l ea sa l le x a m p l e ，c a l c u l a t ea n ds i m u l a t et h e s eg o a l f u n c t i o no fc a r sp o w e r ，f u do i l e f f i c i e n c ya n dv o l u m ew h e ni n t r o d u c i n gt h e o p t i m i z a t i o np r o c e s s t h e n p r o g r a ma n dp u tt h e mi nd i f f e r e n td e s i g nf o r u m ， o p t i m i z ea n dd e s i g nt r a n s m i s s i o ng e a rr a t i o ，g e a rp a r a m e t e r sa n dc a l i b r a t eg e a ra n d t r a n s m i s s i o ns h a f ts t i f f n e s s ，t h er e s u l tm e e tt h ed e m a n d s t e s tt h ep r a c t i c a l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h es o f t w a r ea n dt h er e s u l t ss a t i s f a c t o r yt h ed e m a n d s k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o n ，g e a rr a t i o ，g e a rp a r a m e t e r s ，o p t i m a ld e s i g n ，m a t l a b i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另! f 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈啦b 期：五监立业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定 日期：t 竺二竺：主 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题的背景 第1 章绪论 科学技术突飞猛进，对变速器的要求也越来越高，就使得变速器技术得到 飞快发展，一些新型变速器如a t 、a m t 、d c t 和c v t 也相继问世。 1 1 1 目前市场上的汽车变速器主要类型 1 、机械变速器 m t ( m a n u a lt r a n s m i s s i o n ) 机械变速器，也称手动变速器。即操作变速杆就 能改变变速器内的齿轮接合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。变速时， 需要踩下离合，操作变速杆，可使变速器无冲击换挡。汽车在加速、超车时， 装有手动变速器的汽车要比自动变速汽车动力性好，燃油经济性也好。m t 变速 箱是目前使用最广泛的变速器，未来手动变速箱的发展趋势是档位不断提高， 以使发动机的转矩和转速更好地匹配汽车复杂的工况需求。 2 、a t 自动变速箱 a t ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ) 自动变速箱，主要由液力变扭器、行星齿轮和 液压操纵系统组成，通过液力传递和改变齿轮组合方式以达到变速变矩的目的。 其中液力变扭器是a t 最重要的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，兼有 传递扭矩和离合的作用。 3 、a m t 机械式自动变速箱 a m t ( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 机械式自动变速箱，a m t 可以看 成是自动的手动变速箱。 a m t 变速箱，是在手动变速箱和离合器基础上配备一套电子控制的液压操 纵系统，以达到自动换挡的目的。 4 、d c t 双离合器变速箱 d c t ( d o u b l ed u t c ht r a n s m i s s i o n ) 双离合器变速箱，也有人称之为 d s g ( d i r e c t s h i f tg e a r b o x ) ，中文意思为“直接换挡变速器”。大众汽车曾在2 0 0 2 年于德国沃尔夫斯堡就首次向世界展示了这一技术创新，新一代d c t 变速器采 武汉理工大学硕士学位论文 用了双离合器作为中断动力的机构和6 个前进档的传统齿轮变速器作为传递动 力和改变车速的部件，主要与高扭矩的发动机配合使用。 5 、c 机械式无级变速器 c v t 的英文全称是c o n t i n u o u sv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，中文意思是“机械式无 级变速器”。c v t 技术的发展，已经有了一百多年的历史。由于橡胶带式c v t 存在一系列的缺陷：功率有限，离合器工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机 构的能量损失较大，因而没有被汽车行业普遍接受。 1 1 2 机械变速器的使用特点 首先，从商用车的特性上来说，机械式变速器的功用是其他变速器所不能 替代的。其载货量大，需要大排量发动机和大扭矩变速器，采用一档或二档起 步，在起步时才会有足够的牵引力量将车带动。特别是在满载爬坡时，机械变 速器的特点就非常明显。相对其他新型的变速器而言，操作简便的优点在使用 时仍然无法和动力性好这些特点相媲美。 其次从我国的变速器使用情况来看，机械式变速器几乎贯穿了整个中国的 汽车发展历史。而那些资历较深的司机多是使用机械式变速器且对机械式变速 器的认识程度极为深刻，若是在短时间内改变常规驾驶习惯，确实有很大难度。 由于多数年轻人尤其喜欢超车时机械式变速器带来的那种快感，所以即使是一 些中高档的汽车( 尤其是轿车) 也不敢轻易放弃机械式变速器。另外，现在在 我国的汽车驾校中，教练车都是机械式变速器的，除了经济适用之外，关键是 能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。 第三，随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了千家万户，对于具有 潜在购买能力的百姓来讲，经济型轿车最为合适，机械式变速器以其自身的性 价比配套于经济型轿车厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。 例如，夏利、奇瑞、吉利等国内厂家的经济型轿车都是机械式变速器的车，它 们的各款车型基本上都是5 档机械式变速器。可见对机械变速器的研究还是很 有必要的。 众所周知，传统机械式变速器有很多缺点，比如换档冲击大、体积大、振 动噪声大和操纵复杂沉重等。但是它也有很多优点，例如传动效率高、工作可 靠、使用寿命长、制造工艺成熟和成本低廉等。就目前市场的需求和适用角度 来看，作为在中国使用最为广泛的汽车变速器，依然会较长一段时间内发挥其 2 武汉理工大学硕士学位论文 不可替代的作用，因此有必要对其作进一步的研究。 1 2 论文选题的目的和意义 1 2 1 选题意义 我国的变速器产品在性能和质量方面都与发达国家存在着一定的差距，其中 一个重要原因就是设计方法落后，西方国家在汽车产品设计上已经进入了分析 设计阶段，利用计算机辅助设计技术，将有限元分析、优化设计、可靠性设计 等现代设计方法应用到产品设计中，采用机械c a d c a e 技术在计算机上进行建 模、仿真分析、优化设计和模拟验证，实现三维设计，从而大大提高产品设计 的一次成功率，减少了试验费用，缩短了产品更新周期。而在中国我们的设计 手段仍处于以经验设计为主的传统设计阶段，设计完成后在投产前往往要进行 很大的改动，使得产品开发周期很长，性能质量较差。 因此我们有必要改进原来的设计手段，以缩短新产品的研发周期，提高产品 的质量和改善产品性能为设计目标，在计算机辅助设计基础上开发适合中国国 情的变速器设计软件。 1 2 2 选题目的 本设计采用分块优化模块，避免优化过程中约束的相互干涉。分别以不同 的目标优化设计不同的版块，增加了程序设计的对应性。通过改变目标加权系 数来改变设计模型，以满足设计不同变速器的要求，使程序应用更加灵活。针 对变位系数进行变速器再设计再优化，不断调整使满足设计要求。 本文以轻型载货汽车变速器为例，在m a t l a b 软件基础上开发变速器设计 研发平台。 1 3 国内外变速器设计软件发展概况 1 3 1 国外设计软件的发展情况 1 、r o m a x 和m a s t a 变速器设计软件 r o m a x 是一家集软件工具开发和传动项目咨询为一体的公司，在传动领域 3 武汉理工大学硕七学位论文 有超过十二年以上的经验。由r o m a x 公司积累多年经验而开发的r o m a x d e s i g n e r 主要应用于齿轮传动系统虚拟样机的设计和分析，在传动系统设计领域 享有盛誉，目前己成为齿轮传动领域事实的行业标准。 图1 1 m a s t a 齿轮设计主界面 作为世界上最先进的集选配、设计开发、制造一体化的大型专用软件，r o m a x 和m a s t a 用来建立齿轮传动系统虚拟样机模型，还包括详细部件强度和可靠性 分析及传动系统振动噪声分析，大夫加速传动系统的设计和开发流程。在r o m a x 中，考虑结构柔性，同时考虑更多实际情况，如装配误差及轴承间隙、预载等。 r o m a x d e s i g n e r 应用很广其中包括汽车、船舶、工程机械、风力发电、工业、 轴承以及航窄航天等领域的齿轮传动系统的设计。 2 、x m 0 5 7 9 变速器齿轮计算程序 如图i - 2 所示，可咀将此程序嵌入到e x c e l 中，进行变速器各个齿轮、同 步器、变速器轴和花键的设计计算及目慷强度校核。此方法操作简便，优化结 果清晰明了。 3 、g e a rd d e s i g np r o 齿轮设计软件 g e a rd d e s i g np r o 齿轮设计软件是一个专用齿轮设计软件如图1 3 所示，此 软件主要对渐开线齿轮进行设计和计算，可设计内容丰富全面，根姑设计需要 可分别采用基本、标准和高级三个设计模块的任何模块，操作简单方便。 武汉理j = 大学硕士学位论文 2 蓄舞嚣警菩”“。“。9 ”! 。 1 口d0 2 l * t 一- i 月日? ” 图1 - 2 门本x m 0 5 7 9 齿轮计算程序 图1 - 3 德国g e a r d d e s i g n p r o 齿轮训算软件 1 3 2 国内部分高校对变速器设计软件的研究情况 1 、吉林大学的郑明国设计的软件如图1 - 4 所示：包括齿轮传动计算( 包括 速比配置和变速器齿轮参数选定和计算) 、轴强度校核( 包括一轴、二轴、中问 武汉理工大学硕士学位论文 轴刚度和强度计算) 。 此软件是通过对日本日野，日本三菱公司齿轮计算资料的分析和研究，结 合国内变速箱设计的实际情况，通过d e l p h i 编程实现变速箱齿轮和传动轴的 计算机辅助设计和计算，简化计算过程，通过实践能达到比较理想的效果。并 且成本较低，对于中小企业来说是比较现实的方法嘎 t ， h i 日j r f “h m _ * m e n t 目r r r 广i 一 - hn a l * 一一r rf i1 0 e t d t 幔 一一 “竺! ! ! ， t * m m * p j j 图l _ 4 吉大郑明国变速器设计软件 2 、南京航空航天大学的蒋春明设计的软件如图1 5 所示：变速器多目标( 体 积最小和重合度最优) 可靠性优化设计软件。 此方法是以变速器体积最小化和齿轮啮合重合度最大化为目标函数，以满足 汽车动力性、齿轮可靠度要求、齿轮传动参数范围要求和齿轮各个参数边界条 件等作为约束条件，建立了多目标可靠性优化设计数学模型。利用m a t l a b 软 件中优化工具箱f m i n c o n 函数进行了编程优化计算，最终得到优化结果，运用三 维建模软件u g 根据优化所得的参数建立了三维实体模型。使用多日标函数，更 接近于j 二程应用，在汽车机械式变速器变速传动机构的设计方法上向前迈了 大步i ”， 3 、武汉理工大学的周君设计的软件如图1 6 所示：在模拟分析和计算汽车 动力性和燃油经济性的基础上以燃油经跻型为优化目标，优化设计变速速比。 该软件以m a t l a b 编制的程序为后台，以v i s u a l c + + 编制的人机交互界面为前 台，通用性强、操作简单p 。 日瞄互墨墨臣重互墨王雹蕊盏五髓翟盈瞄磁醯蜮怒二三旦| 点i ! 兰竺兰竺竺竺i 竺! 竺竺：芝兰|兰! 竺! ! i兰! i 优化谨计要量 挡信动比厂一毳羹齿轮 ：措信功比厂一磊；铲鸵 三挡传动比厂一磊鲞蝴 嚣翳+ 。广一i 嚣墓j i 裂箍o 厂一i 麓藩” i 骥。”厂一i 蔷蓖“ 厂一赢# 霉“广 厂一毳镕铲厂一； 广一稳o “厂 广一番囊。“厂一f 厂一若蓥。”广一 。- 。- 。 5 南航蒋舂明变速器设计软件 变速器参数优化 广莳一 广1 ；面- - r l r 广1 r 广弋扩 广百矿 i2 3 10 n l1 s 1 - 6 理j 一大周君变速器传动比设计软件 广矿 r 扩 厂矿 广节 广r 1 07 7 童耋量 裟：篡= l l 武汉理工大学硕士学位论文 分析国内外变速器设计软件的发展可以得出以下几点：1 、单纯地根据燃油 经济性优化变速比，使设计结果具有一定的局限性。2 、将变速比设计和齿轮设 计同时进行优化，容易增加过多约束或者忽略有效约束，导致结果不够精确。3 、 对于齿轮的变位没有进行细致的考虑和描述。 因此本设计将在以上设计经验的基础上，对其不足进行补充，使设计软件 更加完善，应用更加灵活，更加接近产品的快速化和全面化设计要求。 1 4 本文的主要研究内容 本文以某轻型货车三轴五档机械式变速器为研究对象，在已知发动机参数 的情况下，绘制了发动机动力经济性目标曲线，建立了变速器传动比及齿轮机 构优化设计的数学模型，并用m a t l a b 优化工具箱编程求解数学模型，最后形 成汽车机械式变速器最优化设计应用程序。论文的主要工作如下： l 、数字模拟汽车的动力性和燃油经济性，并绘制曲线。 2 、在满足设计要求的情况下，以在最佳换挡时刻换挡获得最短加速时间和 在商用车六工况图上获得的最小燃油消耗量为优化目标，建立变速器传动比优 化设计模型。 3 、在满足可靠性、尺寸参数范围和动力性设计要求时，以变速器齿轮机构 体积最小为优化目标，建立变速传动机构的各个齿轮参数优化设计模型，并校 核齿轮的刚度和强度。 4 、初步设计变速器轴，并对轴的刚度进行校核。 5 、应用c 语言，m a t l a b 优化工具箱和g u i 界面，开发一个轻型载货汽 车变速器多目标优化设计应用程序。 6 、总结全文所做的工作，并对软件的改进和优化做出进一步探讨和提出建 议性意见。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章变速器与发动机的动力匹配参数设计 2 1 最优化设计理论 2 1 1 最优化设计理论概述及发展 “最优化设计”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。是 根据优化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或自动探索方式，在 计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案 的一种现代设计方法【5 】。其设计原则是最优化设计；设计手段是计算机及计算机 程序；设计方法是采用最适合的最优化数学方法。 最优化设计的发展源于数学规划方法，它是电子计算机引入结构设计领域后 逐步形成的一种有效设计方法。利用这种方法，不仅使设计周期大大缩短，计 算精度显著提高，而且可以解决传统设计方法所不能解决的比较复杂的最优化 设计问题【5 1 。大型电子计算机的出现，使最优化方法及其理论蓬勃发展，成为应 用数学中的一个重要分支，并在许多科学技术领域中得到应用。近年来，最优 化设计方法已陆续应用到建筑结构、化工、冶金、铁路、航天航空、造船、机 床、汽车、自动控制系统、电力系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得 了显著效果。 实践证明，传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳 动为特征的设计方法【4 】。而最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或 体积，降低工程造价的一种有效设计方法。同时也可使设计者从大量繁琐和重 复的计算工作中解脱出来，使之有更多的精力从事创造性的设计，并大大提高 设计效率。 2 1 2 最优化设计理论及数学模型 1 、最优化设计方法工作内容 最优化设计是人们对于设计规律这一客观世界认识的深化和升华。理论上的 最优值是指在各种设计因素的影响下所能得到的最佳设计值。最优值是一个相 对的概念，不同于数学上的极值概念，但在大多情况下都可以简化为最大值或 9 武汉理工大学硕士学位论文 最小值来表示。 2 、最优化设计的数学模型 在设计过程中进行选择并最终必须确立的各项独立参数，称为设计变量；目 标函数是设计中预期要达到的目标；对设计变量取值时的限制条件成为约束条 件【5 1 。 选取设计变量，列出目标函数，给定约束条件后便可构造最优化设计的数学 模型。因此任何一个最优化问题都可以看作是，在满足给定的约束条件下，选 取适当的设计变量x ，使目标函数f ( x ) 达到最优值，其数学模型为 设计变量x = x lx 2 x n 】t ，x e n 在满足约束条件 h v ( x ) = 0 ，v = l ，2 ，p g u ( x ) _ 0 ，u = l ，2 ，m 的条件下，求目标函数厂) = q 乃( x ) 的最优值。 j = l 优化问题的最优值实际是指最小值( 或最大值) ，因此，最优化设计的数学 模型可简化为： m i n f ( x ) x 西c e ” s t ( s u b j e c tt o ) h 。( x ) = 0v = 1 , 2 ，p g 。( x ) 0u = 1 , 2 ，m 3 、最优化设计的数值计算方法【5 】 数值计算法直接最优化方法，这是一种数值近似计算方法，又成为数值方 法。它是根据目标函数的变化规律，以适当的步长沿着能使目标函数值下降的 方向，逐步向目标函数值的最优点进行检索，逐步逼近到目标函数的最优点或 直至达到最优点。这种方法的求优过程大致可归纳为以下步骤： 首先初选一个尽可能靠近最小点的初始点x ，从x o 出发按照一定的原 则寻找可行方向和初始步长，向前跨出一步达到x “点，得到新点x “后再选 择一个新的使函数值迅速下降的方向及适当的步长，从x 点再跨出一步，达 到xq 点，并以此类推，一步一步地向前搜索并重复数值计算，最终达到目标 函数的最优点。在中间过程中每一步的迭代形式为：彳( 1 ) = x ( + 口( s ( ，使 f ( x “1 ) f ( x ) k = o ，1 ，2 ，即应使目标函数值一次比次减小。 每向前跨一步，都应检查所得到的新点能否满足预定的计算精度8 ，即 帆x 耻“) 一f ( x 仕) 0 占 ( 2 1 ) i o 武汉理工大学硕士学位论文 如果满足，即函数值的下降量已达到精度要求时，则认为x 甜d 为局部最小 点，否则应以x 为新的初始点，按上述方法继续跨步探索。 4 、多目标优化数学模型 在变速器设计应用中，优化问题有多个不同的评价角度，因此需要建立多个 目标函数，有时目标函数的优化是相互矛盾的，因此必须在各个目标函数之间 寻找一个最优点使得每个目标函数都能得到最优化，这就是多目标优化问题。 多目标优化问题的数学模型可写为： lm i nf ( x ) = m i n f , ( x ) ，五( x ) ，( x ) 】7 x - - - x i x 2 ，x p 】( 2 - 2 ) f 忽( 朋= 0 ( i = 1 , 2 ，) ig ，( x ) 0 ( j = 1 , 2 ，m ) 本文研究的汽车机械式变速器传动比多目标优化设计有两个目标函数：加速 时间最小和燃油消耗量最小。采用线性加权法把多目标优化问题转化为一个目 标。 2 2 变速器传动方案及零部件结构分析 2 2 1 变速器设计要求阴 为了保证变速器具有良好的性能，在变速器设计时应满足的主要要求如下 【j 】 1 、根据汽车动力性和燃油经济性要求，合理选择变速器的轴数、档位数和 传动比； 2 、保证工作可靠，操纵简单、轻便，在汽车行驶过程中，不得出现跳档、 乱档和换挡冲击等现象； 3 、优选变速器变速传动机构参数，减轻变速器重量，降低成本，便于拆装 维修； 4 、传动效率高，换挡迅速，工作噪声小，使用寿命长； 5 、设置空档以保证在必要时切断发动机与变速器之间的动力传递，设置倒 档使汽车可以倒退行驶； 6 、必要时需设置动力输出装置。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 变速器传动机构布置方案 l 、固定轴式变速器选择 变速器中的两轴式和中间轴式变速器应用较为广泛。其中两轴式变速器多用 于发动机前置前轮驱动汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽 车和发动机后置后轮驱动驱动的客车上【1 2 】。 使用直接档，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，发动机转矩经变速器 第一轴和第二轴直接输出，此时变速器的传动效率高，可达到9 0 以上，并且 噪声低、齿轮和轴承的磨损减少。因此直接档的利用率高于其他档位，从而提 高了变速器的使用寿命。本文轻型载货汽车一般为发动机前置后驱汽车，因此 采用中间轴式变速器，且设置直接档。 2 、倒档布置方案 相对于前进挡，倒档的使用率不高，只有在倒向行驶或停车时换至倒档， 因此常采用支齿滑动齿轮方式换至倒档。 图2 2 f 所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，档换更为轻便。为 了缩短变速器轴向长度，减小变速箱整体尺寸，倒档传动采用图2 2 9 所示方案。 缺点是一、倒档各用一根变速器拨叉轴，使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。 由 螃 d 2 1 倒档布置方案 综合考虑选择图2 1 ( f ) 形式进行设计。 3 、零部件结构方案确定 ( 1 ) 齿轮形式 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 变速器用齿轮形式主要有两种：它们是直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮 7 1 。 一般直齿轮仅用于低档和倒档。而其他前进挡常采用斜齿圆柱齿轮，相对于直 齿圆柱齿轮，斜齿圆柱齿轮具有使用寿命长、运转平稳、工作噪声低等优点， 所以本设计前进档选用斜齿圆柱齿轮，倒档选用直齿圆柱齿轮。 ( 2 ) 换档机构 变速器换档机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种形式【”。 和使用直齿滑动齿轮、啮合套换挡方式相比，使用同步器能保证换档迅速 柔和、没有冲击和噪声，且操作技术的熟练程度并不影响换挡品质，因此提高 了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。较之其他两种换档方法，虽然它 的结构复杂、制造精度要求高、成本费用比较大且轴向尺寸大，但仍然得到广 泛的应用。且其换档行程要比滑动齿轮换档行程小很多，操作轻便。 通过比较各种换挡机构的优缺点，综合考虑本变速器的使用条件，本设计 确定前进档选用同步器换档，倒档选用啮合套换档。 ( 3 ) 防脱档设计 自动脱档是变速器的主要故障之一。由于接合齿严重受损、变速器轴及齿 轮刚度不足以及扭转振动等原因，都会导致变速器自动脱档。为了解决这个问 题，除工艺上采取措施以外，在可以在结构采取相应措施，目前行之有效的方 案主要有以下几种： a ) 将两接合齿的啮合位置错开，如图2 2 所示。这样在啮合时，使接合齿 端部错过被接合齿的1 3 m m 。在啮合过程中两齿的接触部分受到挤压会同时产 生磨损，使错开部分的齿厚大于接触部分的齿厚，可防止接合齿自动脱档。 此段切薄 簇圆 1 彩 。”4 h j ， 一 、- l 一 一h - j 7 一 、4 _ 一 f 。飞 一 f , t - - - - 。 图2 2 防脱档措施一图2 3 防脱档措施二图2 4 防脱档措施三 b ) 如图2 3 所示，将啮合齿套齿座上前齿圈的齿厚切薄( 一般切下o 3 0 6 m m ) ，换档后啮合套的后端面被后齿圈的前端面顶住，从而防止变速器自动 脱档。 武汉理工大学硕士学位论文 c ) 将接合齿的工作面设计并加工成斜面，形成倒锥角( 一般倾斜2 0 , - - , 3 0 ) ， 使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力，如图2 - 4 所示。这种方案比较有效，应 用较多。 ( 4 ) 变速器轴承的选择 变速器轴承常采用圆柱滚子轴承、球轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、滑 动轴套等。第一轴常啮合齿轮的内腔尺寸足够时，可布置圆柱滚子轴承，若空 间不足则采用滚针轴承【_ 7 1 。变速器第一轴、第二轴的后部轴承以及中间轴前、后 轴承，按直径系列一般选用中系列球轴承或圆柱滚子轴承。滚针轴承、滑动轴 承套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动的地方。 本设计中间轴选用圆锥滚子轴承，二轴左端采用滚针轴承，二轴右侧用球 轴承，一轴用球轴承。 2 2 3 档位数的选择 增加变速器的档数能够改善汽车的动力性和经济性。然而档数越多，变速 器的结构就越复杂，就会使轮廓尺寸和质量加大，而且在使用时换档频率也回 相应增高。目前，轿车一般采用4 5 个档位变速器，货车变速器采用4 - - 5 个 档或多档，多档变速器多用于重型货车和越野汽车【5 1 。 变速器的最高档传动比取l 时，动力由变速器输入轴直接传给输出轴，中 间不需经过齿轮传动，称为直接档。此档传动效率较高，因为汽车在行驶过程， 多数时间用最高档工作。有的汽车为了减小高速行驶时发动机的功率，变速器 的最高档传动比取值范围为：0 7 - - 0 8 ，称为超速档，超速档最适合于空载高速 行驶。 对于轻型载货汽车，确定档数时，在一定的发动机功率下，要考虑其行驶 路面、最高车速、比功率、爬坡能力、加速性、换档不熄火、速比变化范围等。 为提高动力性，降低油耗，常采用4 - 6 档变速器，文中优化设计结合实际，变 速器选用5 档变速器，最高档传动比为l 。 2 3 汽车动力性燃油经济性评价指标及数学模型建立 2 3 1 汽车动力性燃油经济性评价指标 1 、汽车动力性评价指标 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 汽车动力性系指汽车在水平良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力 决定的、所能达到的平均行驶车速【6 】。汽车作为一种高效率的运输工具，动力性 是评价汽车运输效率高低的项重要指标。因此，汽车动力性是汽车具有的各 种性能中最基本的，最重要的性能。 ( 1 ) 汽车的最高车速 最高车速是指在水平良好路面( 混凝土或沥青) 上汽车能达到的最高行驶 车速【6 】。它反映了汽车在理想状态下行驶时所能达到的理论极限车速，而并不是 实际行驶中的平均车速。 ( 2 ) 汽车的加速时间 汽车的加速时间即汽车的加速能力，常用原地起步加速时间与超车加速时 间来共同表明汽车的加速能力。原地起步加速时间是指汽车由一档或者二档起 步，并以最大的加速强度( 包括选择恰当的换挡时机) 逐步由某一较低车速全 力加速至某一高速的时剐6 1 。超车加速时间是指汽车用最高档或者次高档从某一 较低速度全力加速至某一较高速所需要的时间。 ( 3 ) 汽车的最大爬坡度 汽车的上坡能力是用满载( 或某一载质量) 时汽车在良好路面上的最大爬 坡度i n m 表示的【6 】。显然，最大爬坡度是指一挡最大爬坡度。i 廊x 代表了汽车的 极限爬坡能力的理论最大值，它应比实际行驶中遇到的道路最大坡度要超出很 多。 2 、汽车燃油经济性评价指标 在保证汽车动力性的条件下，以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称 为汽车的燃油经济性【6 】。发动机的燃油消耗率与排放指标和环境污染是密切相关 的，只有在保证排放达到有关法规要求的前提下来降低发动机的燃油消耗率， 提高汽车的燃油经济性。 汽车的燃料经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃料消耗量或一 定燃料量能使汽车行驶的里程来衡量。汽车等速行驶百公里燃料消耗量是常用 的一种评价指标，它指汽车在额定载荷( 我国标准规定轿车为半载、货车为满 载) 下，以最高档在水平良好路面上等速行驶l o o k m 的燃料消耗量。但是，等 速行驶工况并不能全面描述汽车的实际运行情况，在货车实际运行过程中会出 现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此常用商用车的六工况来近似模拟 货车的燃油经济性的行驶工况。 3 、汽车动力性和燃油经济性综合评价指标 武汉理工大学硕士学位论文 汽车的动力性和燃油经济性是评价汽车性能的重要指标。它们主要取决于 发动机特性，传动系参数，以及这两者之间的相互匹配。将发动机特性与传动 系参数合理的匹配起来，会大大降低汽车的燃料消耗( 节油可达( 5 1 0 ) ) ， 并可获得较好的动力性【_ 7 1 。 在汽车设计中，当汽车的总质量、质量的轴荷分配、空气阻力及轮胎滚动 阻力等已经确定以后，如何进一步选择动力、传动系统参数以保