汽車傳動軸的可靠性優化設計摘要：運用可靠性優化設計方法，建立了傳動軸的可靠性分配模型及可靠性優化設計的數學模型，并進行了實例計算。關鍵詞：傳動軸；可靠性；優化設計刖言傳動軸是汽車傳動系中傳遞力矩的關鍵零件之一，其工作性能直接影響汽車是否能正常工作。傳動軸的傳統設計方法是以材料力學為基礎，根據軸的強度計算初定其內、外徑!然后校核臨界轉速和穩定性"。這種強度計算的特點是將傳動軸的應力、強度都視作常量"。但由于各種因素的影響，軸的應力、強度是隨機變量，因而按這種方法設計出的傳動軸很難達到最優的結果。可靠性優化設計是可靠性技術與優化技術相結合的一種設計方法，它的基本思想是在使結構或零部件達到最佳的性能指標時，要求不安全元件的工作可靠度不低于某一規定的水平；或在保證元件的主要性能條件下，使其可靠度達到最大。這樣的設計方法不僅可保證零件的可靠度，而且使零件最優。本文運用這一方法對某汽車傳動軸進行了設計，達到了比較滿意的效果。一傳動軸的可靠度分配模型兩端連接萬向節的傳動軸，其主要失效形式有軸管折斷、扭斷，花鍵的齒面磨損、點蝕等。考慮到傳動軸中任何一種失效都將導致傳動軸功能的喪失。故傳動軸可看作是由各種性能組成的串聯系統。對于這一串聯系統，其可靠度模型可視為：5瓦*I式中 軸剛度的可靠度 軸強度的可靠哎Re—花鍵齒接觸疲勞的可靠度糜「一花健面彎曲強度的可靠度的——花鍵擠壓強度的可曜度.一般傳動軸的預定可靠度指標二考慮到工作中軸管折斷、扭斷造成的危害最大，故取J：. 同樣花鍵齒根折斷所造成的危害也較大，故取W川口”.J"?撲「"；由于花鍵齒面即使產生一些磨損，也并不影響傳動軸正常工作，故JI?一，這樣傳動軸的可靠度可大于0.94.二傳動軸的可靠性優化設計2.1傳動軸可靠性優化設計的方法一般來說，傳動軸設計所涉及的參數有：軸管的內外徇、d，花鍵軸的底徑D2和外徑D1。為了減少設計參量的個數，使問題得到簡化，一般先對傳動軸管進行可靠性優化設計，確定其內外徑，在此基礎上再對花鍵進行可靠性校核計算。本文主要進行前部分工作。2.2傳動軸可靠性優化設計的模型可靠性優化設計一般可采用兩條途徑，即以指定性能指標(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最優。一般來說，后一種方法更實用，故傳動軸的可靠性優化設計的數學模型表達為：1s*a) (/=[12,■■,■■'n) (2)'感■)N()(j=l,2 -?n)式耳頊?是零件的W靠度;坨是要求的可靠度水平國?是考慮其他的約束頊G是廿標函數*2.2.1設計變量由于決定軸管的主要尺寸為內外徑及其長度，而一般來說長度在總體布置時已確定，故設計變量為：丁式中D一-傳動軸軸管外徑〃--傳迎映宿紂E+2.2.2目標函數現代汽車的設計目標之一是保證其性能的基礎上，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，而且也降低了傳動系統的振動和噪聲。由于傳動軸軸管的長度已大致確定，因此，以重量(體積)為目標的優化設計可選擇傳動軸軸管的橫截面最小作為其追求的目標：2.2.3約束條件

1）性能約束及幾何約束對于傳動軸而言，最關鍵的性能約束是滿足其臨界轉速的要求.因為當傳動軸的轉速與它的彎曲振動的固有頻率相等時，傳動軸會發生共振，使傳動軸有折斷的危險.因此有:^^4式中^^4式中如一一臨界轉速心LZX10a%”—傳動軸的最高轉速$?—-臨界轉速安全系數L一一傳動軸的長度另外，由制造工藝可知，內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度的可靠性設計中，一般都認為強度和應力是正態分布，這不僅因為正態分布能反映多數零件的實際工作情況，而且能使可靠度J的計算十分簡單，否則就需采用數值積分法進行多重積分運算。另外，即使當強度和應力都是非正態分布時，若采用正態假設，一般都得到偏于保守的結果。由此可得傳動軸扭轉強度的可靠性約束：「?k京2伽 (7)式中?.5一-分別表示強度和應力的均值中止一-分別表示強度和應力的標準值2!叫一-對應于袖強度可靠度的系數，該值可通過標準正態表查得三實例計算設某汽車傳動軸的最高工作轉速*4000r/rmn,所傳遞的最大扭矩7=1.02X100?忸扭,臨界轉速血的安全系數&=|,5.軸管村料的蜂性模量為E=2.1XibN缶奇，利用上述優化方法得到如附表所示的結果+設計指標可微優化設汁浩果常規優化設汁結果靜強度設汁鐳果/.)tmm)4849.862d(mm)43U.65735K438=5467?3附表除了表示出可靠性優化設計方法的結果外，還示出了常規已化設計出來的傳動軸尺寸及靜強度安全系數法沒計的結果。比較三個方案發現，按一般優化設計出來的傳動軸，盡管重量比靜強度設計方案下降較多，但還是過分保守，沒有挖掘潛力而按可靠性優化設計的傳動軸，在滿足實際要求的情況一，重量還可進一步減小，能夠取得較好的經濟效益。這