淺談汽車分動器優(yōu)化設計

魏國鑫 李亞東

摘 要：分動器作為汽車底盤一個關鍵部件，承擔著動力切換以及扭矩分配的功能。本文主要以分時四輪驅(qū)動分動器為研究對象，從分動器結構與工作原理、初始數(shù)字模型、優(yōu)化設計等方面進行總結和介紹。

關鍵詞：分動器;設計;遺傳算法

0 概述

分動器是把變速器傳來的動力分配給前后驅(qū)動橋，并改變整車的傳動比。分時四輪驅(qū)動汽車因為具有兩驅(qū)和四驅(qū)動力切換可以滿足多種路面需求，所以受到越來越多的消費者青睞，主打SUV越野車型的廠商對分動器的研究和設計更加深入。

1 分動器結構與工作原理

分時四驅(qū)是四驅(qū)汽車驅(qū)動系統(tǒng)的一種形式，是指可以由駕駛者根據(jù)路面情況，通過接通或斷開分動器來變化兩輪驅(qū)動或是四輪驅(qū)動模式，從而實現(xiàn)兩驅(qū)和四驅(qū)自由轉換的驅(qū)動方式。分時四驅(qū)平常只利用前輪或是后輪的四輪驅(qū)動來行駛，在積雪或石礫路面上能切換成四輪驅(qū)動來行使，也叫選擇四輪驅(qū)動。這也是越野車或是四驅(qū)SUV最常見的驅(qū)動模式，其分動器結構示意圖如圖 1 所示。

（1）兩輪驅(qū)動時：變速器輸出的扭矩經(jīng)分動器輸入軸輸入，電機經(jīng)換擋馬達帶動換擋撥叉移動，使嚙合套的內(nèi)花鍵與輸入軸嚙合，輸入扭矩經(jīng)嚙合套傳至輸出軸，此時行星齒輪空轉。

（2）四輪驅(qū)動時有四輪驅(qū)動高速模式和四輪驅(qū)動低速模式兩種模式：1）四輪驅(qū)動高速模式。電機帶動換擋馬達轉動，從而帶動換擋撥叉向左及驅(qū)動模式撥叉向左移動，此時嚙合套內(nèi)花鍵與輸入軸嚙合，鎖止套內(nèi)花鍵與后輸出軸鏈輪外花鍵嚙合，動力由輸入軸輸入，經(jīng)嚙合套傳至后輸出軸鏈輪，扭矩一方面?zhèn)鬟f至后輸出軸，另一方面經(jīng)前輸出軸鏈輪傳遞至前輸出軸，從而進入四輪驅(qū)動高速模式，此時前后軸扭矩分配比 1∶1。2）當換擋撥叉向右移動時，此時嚙合套與行 星齒輪結構的行星架嚙合，動力由輸入軸經(jīng)行星齒 輪機構的行星架、嚙合套傳遞至后輸出軸鏈輪，扭矩 一方面?zhèn)鬟f至后輸出軸，另一方面經(jīng)前輸出軸鏈輪 傳遞至前輸出軸，從而進入四輪驅(qū)動低速模式。

2 分動器初始數(shù)字模型建立

根據(jù)整車最高時速、最大扭矩、最大功率、最高轉速、質(zhì)量等參數(shù)信息，計算并確定分動器中心距、齒輪模數(shù)、軸徑等參數(shù)。

（1）確定分動器結構方案設計，主要確定齒輪、傳動機構形式。（2）確定分動器基本參數(shù)，主要包含傳動比、中心距等。（3）分動器齒輪的設計，主要包含模數(shù)、壓力角、螺旋角、齒寬、齒數(shù)、強度計算、材料選擇等。（4）分動器軸和軸承的設計和校核，主要包含軸的設計原則、尺寸初選、結構設計、嚙合套的設計等。（5）分動器軸強度計算，分析受力、剛度和強度計算。（6）變速器同步器及結構件箱體設計。（7）確定各部件結構類型后，利用ADANS/View提供的零件幾何圖形，建立分動器初始數(shù)字模型。

3 分動器優(yōu)化設計

（1）目標函數(shù)。1）分時四驅(qū)汽車一般在兩驅(qū)工況下使用較多，兩驅(qū)和四驅(qū)切換時車速較低，因此優(yōu)化設計時主要考慮到四驅(qū)工況時車輛爬坡能力，選取動力性指標中的最大爬坡度作為評價指標。2）考慮城市環(huán)境下四驅(qū)車輛車速不高，百公里燃油消耗量作為評價指標，選取車速分別為20 km/h、40 km/h、60 km/h工況下的混合燃油消耗量作為評價燃油經(jīng)濟性的指標，每種工況系數(shù)各取1/3。3）為了使齒輪傳動平穩(wěn)，減小傳動中的沖擊及降低傳動噪聲，選取齒輪重合度作為評價分動器振動噪聲的評價指標。

（2）設計變量。由以上目標函數(shù)可確定優(yōu)化設計變量為：行星齒輪中太陽輪齒數(shù)、行星輪齒數(shù)、齒圈齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角、齒寬、行星輪個數(shù)。

（3）約束條件。根據(jù)分動器的性能要求及行星輪系的裝配條件、鄰接條件，建立如下約束條件：①確定優(yōu)化變量的約束范圍。②行星輪系的傳動比條件。③同心條件。④裝配條件。⑤鄰接條件相鄰兩行星輪的齒頂圓不得相交。

（4）實施遺傳算法優(yōu)化：

1）基于遺傳算法多目標滿意度的Matlab優(yōu)化流程如圖2所示。

2）為了抑制標準遺傳算法的早熟收斂、局部搜索能力差和后期種群同化現(xiàn)象，采用多目標滿意度遺傳算法進行優(yōu)化設計，具體步驟如下：①確定變量的可行域，并對可行域內(nèi)的點進行二進制編碼。②在可行域中產(chǎn)生M 個初始種群，并確定每個種群中個體數(shù)目，選取初始種群數(shù)為10，每個種群中的個體數(shù)目為40。③根據(jù)上述地目標函數(shù)的確定方法計算各初始種群個體的適應度函數(shù)值。④在最大遺傳代數(shù)范圍內(nèi)，對每一個種群中的個體進行選擇、交叉、變異操作，并計算出子代適應度函數(shù)值以及在該函數(shù)中進行重插入操作，文中選取最優(yōu)個體最少保持代數(shù)為500，代溝為0.9，交叉概率在0.7～0.9 中選擇，變異概率在0.001～0.05中選擇。⑤對適應度高的個體進行移民操作。⑥人工選擇出精華種群，計算出精華種群中的最優(yōu)個體，判斷當前優(yōu)化值是否比前一次優(yōu)化值大， 如果當前優(yōu)化值比前一次優(yōu)化值大，則更新最優(yōu)值;反之，則使最優(yōu)保持代數(shù)加一，并返回到步驟④。

4 AVL-cruise 虛擬仿真驗證

為了驗證優(yōu)化結果的準確性，基于 AVL-cruise軟件建立車輛的整車仿真模型。在此環(huán)境下開展優(yōu)化前后車輛的動力性、燃油經(jīng)濟性等性能仿真分析，對比仿真結果，選擇最佳優(yōu)化方案。

5 結束語

基于多目標滿意度遺傳算法，建立分動器優(yōu)化模型，不斷優(yōu)化分動器的結構方案，使其更好的匹配整車其它零部件，進而提升整車設計性能。

參考文獻：

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