【正文】 and so on； at last the toolbox of MATLAB was used to optimize the parameters of gearbox. The result manifests that using new method can shorten the design period， lower the costs for design， and the weight of gearbox can be reduced too. In conclusion， a satisfactory result can be achieved through optimizing the parameters of gearbox． Keyword： gearbox， optimization， transmitting ratio 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 3 SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 盧國亮 061103273 0 引言 隨著時間的流逝，昔日的輝煌漸漸落下了塵埃；當輕輕的撣去歲月留下的痕跡，閃露的就是歷史的光華。 本文以 SJ汽車變速器為例，首先通過傳統(tǒng)的設計方法對變速器的結構及具體參數(shù)進行初步設計，然后通過 MATLAB優(yōu)化工具箱中的最優(yōu)化函數(shù)來重新校驗變速器的設計。同年，德國的戴姆勒將其自行發(fā)明的立式發(fā)動機安裝在改裝后的四輪馬車上，也成功的駕駛了它?，F(xiàn)代汽車技術的發(fā)展對傳動裝置的設計工作提出了更高的要求。但是汽 車復雜的使用條件卻要求汽車的驅動力和車速 必須 在相當大的范圍內變化。目前，轎車和輕、中型貨車變速器的傳動比通常有 3～ 5 個前進檔和一個倒檔，在重型貨車用的組合式變速器中，則有更多檔位。 (3)半自動操縱式變速器 ： 有兩種型式：一種是常用的幾個檔位自動操縱，其余檔位則由駕駛員操縱；另一種是預選式，即駕駛員預先用按鈕選定檔位，在踩下離合器踏板或松開加速踏板時，接通一個電磁裝置或液壓裝置來進行換檔。當以小齒輪為主動輪 (即 Z1＜ Z2),其轉速經(jīng)大齒輪傳出時就降低了，即 n2＜ n1，稱為減速傳動，此時傳動比 i＞ 1 如圖 所示， 當以大齒輪為主動輪 (即 Z1＞ Z2)，其轉速經(jīng)小齒輪傳出時就升高了，即 n2＞ n1,稱為增速傳動，此時傳動比 i1。所謂變速器檔數(shù)就是指其前進檔數(shù)。 由齒輪傳動的原理可知，多級齒輪傳動的傳動比為 : i ? 所 有 各 級 從 動 齒 輪 齒 數(shù) 的 連 乘 積 ＝ 各 級 齒 輪 傳 動 比 的 連 乘 積所 有 各 級 主 動 齒 輪 齒 數(shù) 的 連 乘 積 ???? () 汽車變速器的設計趨勢 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 9 汽車變速器自誕生以來，已隨著汽車技術的發(fā)展，產(chǎn)生了日新月異的變化，出現(xiàn)了許多設計思路完全不同的變速器。而且鎂合金的切削性、比強度、比剛度好，尺寸穩(wěn)定性好，吸振能力好，有利于減振和降低噪聲。 另外變速器箱體在降低變速器噪聲方面也發(fā)揮著重要的作用，改進箱體的截面形狀，從而改善箱體的振 動特性，可有效地降低變速器的噪聲。 三軸式變速器的第一軸常嚙合齒輪與第二軸的各檔齒輪分別與中間軸的相應齒輪相嚙合，且第一、二軸同心。兩軸式變速器的輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，當發(fā)動機縱置時，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙曲面齒輪；當發(fā)動機橫置時則可用圓柱齒輪，從而簡化了制造工藝、降低了成本。由于此時所有 同步器接合套未與任何齒輪接合，倒檔軸上的第 2 倒檔齒輪亦未撥到與第 1 和第 3 倒檔齒輪嚙合的位置，因此，發(fā)動機動力不能傳到輸出軸，變速器處于空檔位置，車輛不能起步行駛。二檔脫開方式，與一檔類似。 (5)五檔傳動路線 如圖 所示，操縱變速桿，通過撥叉機構撥動五檔換檔撥叉，使與輸入軸五檔齒輪 7 相連的五檔同步器 8 的接合套右移，與輸入軸端部上的上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 16 外齒圈嚙合，動力便可從輸入軸依次經(jīng)輸入軸端部外齒圈、五檔同步器 輸入軸五檔齒輪 7 和輸出軸五檔齒輪 9 傳給輸出軸 15 輸出?？紤]到倒車安全，倒檔傳動比與一檔傳動比接近，希望倒車時車速盡可能低些。各截面尺寸不應相差懸殊，否則軸上供磨 削用的砂輪越程槽處的應力 過于 集中 ， 會引起軸 的 斷裂。 輸入軸前軸承（安裝在發(fā)動機飛輪內腔中）采用向心球軸承；后軸承采用外圈帶止動槽的向心球軸承。因為與其 它 軸承相比，圓錐滾子軸承的直徑小、寬度大、接觸線長，因而容量大，可以承受上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 19 高負荷；在承受同樣載荷的情況下其徑向尺寸可以減小，從而縮小中心距，減小變速器的尺寸和質量；錐體、外圈及滾子間基本的幾何關系使?jié)L子能正確對中，確保軸承的可靠性及長壽命；接觸線長加 之錐角和配合選擇適當，則可提高軸的剛度，使齒輪正確嚙合、降低噪聲，減少自動脫檔的可能并提高其壽命；圓錐滾子軸承可通過預緊消除軸向間隙和軸向竄動。 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 20 輸出軸上 則 緊固相連著輸出軸四檔齒輪、輸出軸三檔齒輪、輸出軸五檔齒輪和輸出軸倒檔第 3 齒輪。同時操縱機構復雜，而且在使用時換檔頻率也增高。 傳動 比 變速器的傳動比范圍是指變速器最低檔傳動比與最高檔轉動比的比值。一至四檔傳動比 一般 取為等比數(shù)列，但是由于變速箱各檔利用率差別很大，高檔利用率比低檔大，所以在現(xiàn)代設計中，變速箱各檔上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 24 傳動比并不是正好按等比級數(shù)來分配的，而是在高檔區(qū)內 相鄰兩檔間的傳動比的間隔比低檔區(qū)的要小。中心距越小，齒輪的接觸應力就越大，齒輪壽命就越短。原則上總質量小的汽車中心距小。 輸入軸花鍵部分直徑 d 可按下式初選 3 m a x 21ed K T m m?????????????????????????（ ） 式中 K 為經(jīng)驗系數(shù)， K=,Temax為發(fā)動機最大轉矩（ 145N? m） 其它部分的軸徑按變速器的結構需求，考慮階梯式的原則進行設計。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利于換檔。對轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些；對貨車，為提高齒輪承載力，取大些。 中間軸式變速器為 22176。 通常根據(jù)齒輪模數(shù) m 的大小來選定齒寬。在設計時應考慮結構簡單，操縱 輕便，檔位清晰，變速桿的換檔位置合理，掛檔準確、迅速，安全可靠 (每次只能掛入一個檔，不誤掛倒檔，不自動脫檔 )等等 。 為了減小質量，變速器殼體采用壓鑄鋁合金鑄造時，壁厚取 ～上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 32 4mm。放油孔應設計在殼體的最低處。其設計方法是一個為了達到設計要求而反復迭代的過程，結構參數(shù)的確定往往是根據(jù)類比、估算或試湊的方式初步確定，然后再進行強度與剛度等 的 校核?，F(xiàn)代設計 由于縮短了設計周期，并且通過求優(yōu)以及其它一些現(xiàn)代手段，得到常規(guī)設計所得不到的最優(yōu)方案，己引起世界各國的關注。 綜上所述，用傳統(tǒng)設計方法設計汽車變速器參數(shù)是一項非常費時和艱苦的工作，而且難以求得較理想的設計參數(shù)，不利于產(chǎn)品性能的提高。 設計變量 在工程設計中，區(qū)別不同的設計方案，通常是以一組取值不同的參數(shù)來表示。 設計變量通常是有取值范圍的，即 aixibi (i =1， 2， … ， n)????????????????（ ） 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 39 式中， ai、 bi分別表示設計變量 xi的下界約束值和上界約束值。當目標函數(shù)包含多項設計指標極小化時，這就是所謂的多目標設計問題。 因為從理論上講，存在一個等式約束就可以用它消去一個設計變量，這樣便可降低優(yōu)化設計問題的維數(shù)。這個區(qū)域稱為設計可行域或簡稱可行域。求解時，再根據(jù)具體的設計要求，指定某個或某些問題函數(shù)為目標函數(shù)，某些問題函數(shù)為約束函數(shù)且設定邊界值。在優(yōu)化設計求解過程中，絕大多數(shù)的是優(yōu)化方法都 是通過參照當前點周圍的信息來判斷是否找到了最優(yōu)解，這樣求得的解很可能是局部最優(yōu)解，不同的初始點可能求得不同的最優(yōu)解。 4 SJ 汽車變速器的優(yōu)化計算 優(yōu)化計算的原始參數(shù) 汽車變速器的優(yōu)化設計，一般是指在給定功率、齒數(shù)比、輸入轉速以及其它一些技術條件和要求的情況下，找出一組使變速器的某項經(jīng)濟或技術指標達 到最優(yōu)的設計參數(shù)。由于齒輪的尺寸是決定變速器體積大小的重要因素，因此，可按齒輪在可靠性的前提下，體積之和為最小的原則來建立目標函數(shù)，而不考慮箱體、軸及軸承的體積和重量。通常，汽車傳動系的最大傳動比 maxi 是變速器 1 檔傳動比 1i 與主減速器傳動比 0i 的乘積。 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 46 2 2 22 2 2 2 2 21 2 37 8 5 6 3 42 2 21 2 3222 2 2 2451 2 9 102245[ ( ) ( ) ( )4 c os c os c os( ) ( ) ]c os c osn n nnnm m mbV z z z z z zmmz z z z?? ? ???? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? （ ） 變速器傳動比各為： 81 8 1 77,Zi Z i ZZ? ? ????? ????????????????????（ ） 62 6 2 55,Zi Z i ZZ? ? ?????????????????????????（ ） 43 4 3 33,Zi Z i ZZ? ? ?????????????????????????（ ） 24 2 4 11 ,Zi Z i ZZ? ? ? ? ???????????????????????（ ） 105 10 5 99 ,Zi Z i ZZ? ? ?????????????????????????（ ） 令： 222 11 7 7 1 2 1() c o s nmY Z Z i ???? ? ??????????????????????（ ） 222 22 5 5 2 2 2() c o s nmY Z Z i ???? ? ??????????????????????（ ） 222 33 3 3 3 2 3() c o s nmY Z Z i ???? ? ??? ??????????????????（ ） 222 44 1 1 4 2 4() c o s nmY Z Z i ???? ? ??? ??????????????????（ ） 222 55 9 9 5 2 5() c o s nmY Z Z i ???? ? ??? ???? ? ?????????????（ ） 6 4bY ?? ??? ?? ? ?????????????????????（ ） 即可得到優(yōu)化設計的目標函數(shù) ： 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 47 6 1 2 3 4 5( ) ( )F X V Y Y Y Y Y Y? ? ? ? ? ??????????? ? ?????（ ） 優(yōu)化計算的設計變量 設計一個在一定使用期限內能可靠工作的五檔變速器，并且要求所設計的變速器體積最小，其影響的因素是很多的。 （ ） 2? 176。 優(yōu)化軟件介紹 本次使用的優(yōu)化軟件是當今最流行的數(shù)學計算軟件 —— MATLAB。若問題函數(shù)中包含非線性函數(shù)時，則稱為非線性規(guī)劃問題。據(jù)此，在可行域內的任一設計點都代表了一個 允許采用的上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 41 設計方案，這樣的點叫做可行設計點或內點。所謂區(qū)域約束是直接限定設計變量取值范圍的約束條件 ； 而性能約束是由某些必須滿 足的設計性能要求推導出來的約束條件。而多目標問題則比較復雜 ， 多個指標往往構成矛盾，很難或者不可能同時達到極小值。當給定一組設計變量值時，就可計算出相應的目標函數(shù)值。在構成一項設計方案的全部參數(shù)中，可能有一部分參數(shù)根據(jù)實際情況預先確定了數(shù)值，它們在優(yōu)化設計過程中始終保持不變，這樣的參數(shù)稱為給定參數(shù)。這種方法的應用在工程設計中得到了滿意的 效果 ，有效的提高了工程設計、分析的效率和精度，減輕了工程設計人員的勞動強度。 優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計法的核心內容之一！ 上海工程技術大 學畢業(yè)設計（論文） SJ 汽車變速器的設計與優(yōu)化 37 優(yōu)化設計對傳統(tǒng)設計中某些精華部分也給予了保留和繼承。因此這種設計方法在一定程度上伴隨著主觀性，也就是說，設計的好壞，設計人員也不很清楚，而只能通過試制、試驗來確定，并且反復迭代，需要重復進行修改設計、計算，需要大量的時間、經(jīng)費，而實際工程中能夠進行重復修改的次數(shù)是有限的，因此設計結果通常不是最佳的。 為了保持變速器內部為大氣壓力，在變速器頂部設有通氣塞。 為了加強變速器殼體的剛度，在殼體上應設計加強肋。確定時主要從換檔