传动轴优化设计

汽车传动轴的可靠性优化设计

摘要：运用可靠性优化设计方法，建立了传动轴的可靠性分配模型及可靠性优化设计的数学模型，并进行了实例计算。

关键词：传动轴；可靠性；优化设计

前言

传动轴是汽车传动系中传递力矩的关键零件之一，其工作性能直接影响汽车是否能正常工作。传动轴的传统设计方法是以材料力学为基础，根据轴的强度计算初定其内、外径!然后校核临界转速和稳定性"。这种强度计算的特点是将传动轴的应力、强度都视作常量"。但由于各种因素的影响，轴的应力、强度是随机变量，因而按这种方法设计出的传动轴很难达到最优的结果。

可靠性优化设计是可靠性技术与优化技术相结合的一种设计方法，它的基本思想是在使结构或零部件达到最佳的性能指标时，要求不安全元件的工作可靠度不低于某一规定的水平；或在保证元件的主要性能条件下，使其可靠度达到最大。这样的设计方法不仅可保证零件的可靠度，而且使零件最优。本文运用这一方法对某汽车传动轴进行了设计，达到了比较满意的效果。

一传动轴的可靠度分配模型

两端连接万向节的传动轴，其主要失效形式有轴管折断、扭断，花键的齿面磨损、点蚀等。考虑到传动轴中任何一种失效都将

导致传动轴功能的丧失。故传动轴可看作是由各种性能组成的串联系统。对于这一串联系统，其可靠度模型可视为：

一般传动轴的预定可靠度指标考虑到工作中轴管折断、

扭断造成的危害最大，故取；同样花键齿根折断所造成的危害也较大，故取；由于花键齿面即使产生一些磨损，也并不影响传动轴正常工作，故，这样传动轴的可靠度可大于0.94.

二传动轴的可靠性优化设计

2.1 传动轴可靠性优化设计的方法

一般来说，传动轴设计所涉及的参数有：轴管的内外径D、d，花键轴的底径D2和外径D1 。为了减少设计参量的个数，使问题得到简化，一般先对传动轴管进行可靠性优化设计，确定其内外径，在此基础上再对花键进行可靠性校核计算。本文主要进行前部分工作。

2.2 传动轴可靠性优化设计的模型

可靠性优化设计一般可采用两条途径，即以指定性能指标（如重量、体积等）为约束，使可靠度最大；或以可靠度为约束使零指定指标最优。一般来说，后一种方法更实用，故传动轴的可靠性优化设计的数学模型表达为：

2.2.1 设计变量

由于决定轴管的主要尺寸为内外径及其长度，而一般来说长度在总体布置时已确定，故设计变量为：

+

2.2.2 目标函数

现代汽车的设计目标之一是保证其性能的基础上，尽量降低其重量，增加单位重量传递的功率。重量的降低不仅使得整车性能有所提高，而且也降低了传动系统的振动和噪声。由于传动轴轴管的长度已大致确定，因此，以重量（体积）为目标的优化设计可选择传动轴轴管的横截面最小作为其追求的目标：

。

2.2.3 约束条件

1) 性能约束及几何约束对于传动轴而言,最关键的性能约束是满足其临界转速的要求.因为当传动轴的转速与它的弯曲振动的固有频率相等时,传动轴会发生共振,使传动轴有折断的危险.因此有：

另外，由制造工艺可知，内外径尺寸必须有一定的差值，否则难以制造，故有：

2）可靠度约束

在目前零件强度的可靠性设计中，一般都认为强度和应力是正态分布，这不仅因为正态分布能反映多数零件的实际工作情况，而且能使可靠度的计算十分简单，否则就需采用数值积分法进行多重积分运算。另外，即使当强度和应力都是非正态分布时，若采用正态假设，一般都得到偏于保守的结果。由此可得传动轴扭转强度的可靠性约束：

三实例计算

附表除了表示出可靠性优化设计方法的结果外,还示出了常规已化设计出来的传动轴尺寸及静强度安全系数法没计的结果。比较三个方案发现, 按一般优化设计出来的传动轴, 尽管重量比静强度设计方案下降较多, 但还是过分保守, 没有挖掘潜力而按可靠性优化设计的传动轴, 在满足实际要求的情况一, 重量还可进一步减小, 能够取得较好的经济效益。这个结果与一

般可靠性分析中得出的常规设计往往偏于保守的结论

是吻合的。由此可见, 用可靠性优化设计方法设讨一出的

传动轴更趋合理。

（参考文献：胡云波《机械零件可靠性优化设计新方法的分析研究》刘弘谦《车用传动轴可靠性优化设计》）