傳動(dòng)軸優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、汽車傳動(dòng)軸的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：運(yùn)用可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了傳動(dòng)軸的可靠性分配模型及可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。關(guān)鍵詞：傳動(dòng)軸；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)前言 傳動(dòng)軸是汽車傳動(dòng)系中傳遞力矩的關(guān)鍵零件之一，其工作性能直接影響汽車是否能正常工作。 傳動(dòng)軸的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是以材料力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)軸的強(qiáng)度計(jì)算初定其內(nèi)、外徑!然后校核臨界轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性。這種強(qiáng)度計(jì)算的特點(diǎn)是將傳動(dòng)軸的應(yīng)力、強(qiáng)度都視作常量。但由于各種因素的影響，軸的應(yīng)力、強(qiáng)度是隨機(jī)變量，因而按這種方法設(shè)計(jì)出的傳動(dòng)軸很難達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是可靠性技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的一種設(shè)計(jì)方法，它的基本思想是在使結(jié)構(gòu)或零部件達(dá)到最佳的性能

2、指標(biāo)時(shí)，要求不安全元件的工作可靠度不低于某一規(guī)定的水平；或在保證元件的主要性能條件下，使其可靠度達(dá)到最大。 這樣的設(shè)計(jì)方法不僅可保證零件的可靠度，而且使零件最優(yōu)。 本文運(yùn)用這一方法對(duì)某汽車傳動(dòng)軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，達(dá)到了比較滿意的效果。一 傳動(dòng)軸的可靠度分配模型兩端連接萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)軸，其主要失效形式有軸管折斷、扭斷，花鍵的齒面磨損、點(diǎn)蝕等。 考慮到傳動(dòng)軸中任何一種失效都將導(dǎo)致傳動(dòng)軸功能的喪失。故傳動(dòng)軸可看作是由各種性能組成的串聯(lián)系統(tǒng)。對(duì)于這一串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度模型可視為： 一般傳動(dòng)軸的預(yù)定可靠度指標(biāo) 考慮到工作中軸管折斷、扭斷造成的危害最大，故取 ；同樣花鍵齒根折斷所造成的危害也較大，故取；由于花鍵齒

3、面即使產(chǎn)生一些磨損，也并不影響傳動(dòng)軸正常工作，故，這樣傳動(dòng)軸的可靠度可大于0.94.二 傳動(dòng)軸的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1 傳動(dòng)軸可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法一般來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)所涉及的參數(shù)有：軸管的內(nèi)外徑D、d，花鍵軸的底徑D2和外徑D1 。為了減少設(shè)計(jì)參量的個(gè)數(shù)，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，一般先對(duì)傳動(dòng)軸管進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定其內(nèi)外徑，在此基礎(chǔ)上再對(duì)花鍵進(jìn)行可靠性校核計(jì)算。 本文主要進(jìn)行前部分工作。2.2 傳動(dòng)軸可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)一般可采用兩條途徑，即以指定性能指標(biāo)（如重量、體積等）為約束，使可靠度最大；或以可靠度為約束使零指定指標(biāo)最優(yōu)。一般來(lái)說(shuō)，后一種方法更實(shí)用，故傳動(dòng)軸的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)

4、模型表達(dá)為：2.2.1 設(shè)計(jì)變量由于決定軸管的主要尺寸為內(nèi)外徑及其長(zhǎng)度，而一般來(lái)說(shuō)長(zhǎng)度在總體布置時(shí)已確定，故設(shè)計(jì)變量為： + 2.2.2 目標(biāo)函數(shù)現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是保證其性能的基礎(chǔ)上，盡量降低其重量，增加單位重量傳遞的功率。 重量的降低不僅使得整車性能有所提高，而且也降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲。 由于傳動(dòng)軸軸管的長(zhǎng)度已大致確定，因此，以重量（體積）為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可選擇傳動(dòng)軸軸管的橫截面最小作為其追求的目標(biāo)：。2.2.3 約束條件1) 性能約束及幾何約束 對(duì)于傳動(dòng)軸而言,最關(guān)鍵的性能約束是滿足其臨界轉(zhuǎn)速的要求.因?yàn)楫?dāng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速與它的彎曲振動(dòng)的固有頻率相等時(shí),傳動(dòng)軸會(huì)發(fā)生共振,使傳動(dòng)軸有

5、折斷的危險(xiǎn).因此有：另外，由制造工藝可知，內(nèi)外徑尺寸必須有一定的差值，否則難以制造，故有：2） 可靠度約束在目前零件強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)中，一般都認(rèn)為強(qiáng)度和應(yīng)力是正態(tài)分布，這不僅因?yàn)檎龖B(tài)分布能反映多數(shù)零件的實(shí)際工作情況，而且能使可靠度的計(jì)算十分簡(jiǎn)單，否則就需采用數(shù)值積分法進(jìn)行多重積分運(yùn)算。 另外，即使當(dāng)強(qiáng)度和應(yīng)力都是非正態(tài)分布時(shí)，若采用正態(tài)假設(shè)，一般都得到偏于保守的結(jié)果。由此可得傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的可靠性約束：三 實(shí)例計(jì)算附表除了表示出可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的結(jié)果外,還示出了常規(guī)已化設(shè)計(jì)出來(lái)的傳動(dòng)軸尺寸及靜強(qiáng)度安全系數(shù)法沒(méi)計(jì)的結(jié)果。比較三個(gè)方案發(fā)現(xiàn), 按一般優(yōu)化設(shè)計(jì)出來(lái)的傳動(dòng)軸, 盡管重量比靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案下降較多, 但還是過(guò)分保守, 沒(méi)有挖掘潛力而按可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸, 在滿足實(shí)際要求的情況一, 重量還可進(jìn)一步減小, 能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。這個(gè)結(jié)果與一般可靠性分析中得出的常規(guī)設(shè)計(jì)往往偏于