浅谈汽车分动器优化设计

魏国鑫 李亚东

摘 要：分动器作为汽车底盘一个关键部件，承担着动力切换以及扭矩分配的功能。本文主要以分时四轮驱动分动器为研究对象，从分动器结构与工作原理、初始数字模型、优化设计等方面进行总结和介绍。

关键词：分动器;设计;遗传算法

0 概述

分动器是把变速器传来的动力分配给前后驱动桥，并改变整车的传动比。分时四轮驱动汽车因为具有两驱和四驱动力切换可以满足多种路面需求，所以受到越来越多的消费者青睐，主打SUV越野车型的厂商对分动器的研究和设计更加深入。

1 分动器结构与工作原理

分时四驱是四驱汽车驱动系统的一种形式，是指可以由驾驶者根据路面情况，通过接通或断开分动器来变化两轮驱动或是四轮驱动模式，从而实现两驱和四驱自由转换的驱动方式。分时四驱平常只利用前轮或是后轮的四轮驱动来行驶，在积雪或石砾路面上能切换成四轮驱动来行使，也叫选择四轮驱动。这也是越野车或是四驱SUV最常见的驱动模式，其分动器结构示意图如图 1 所示。

（1）两轮驱动时：变速器输出的扭矩经分动器输入轴输入，电机经换挡马达带动换挡拨叉移动，使啮合套的内花键与输入轴啮合，输入扭矩经啮合套传至输出轴，此时行星齿轮空转。

（2）四轮驱动时有四轮驱动高速模式和四轮驱动低速模式两种模式：1）四轮驱动高速模式。电机带动换挡马达转动，从而带动换挡拨叉向左及驱动模式拨叉向左移动，此时啮合套内花键与输入轴啮合，锁止套内花键与后输出轴链轮外花键啮合，动力由输入轴输入，经啮合套传至后输出轴链轮，扭矩一方面传递至后输出轴，另一方面经前输出轴链轮传递至前输出轴，从而进入四轮驱动高速模式，此时前后轴扭矩分配比 1∶1。2）当换挡拨叉向右移动时，此时啮合套与行 星齿轮结构的行星架啮合，动力由输入轴经行星齿 轮机构的行星架、啮合套传递至后输出轴链轮，扭矩 一方面传递至后输出轴，另一方面经前输出轴链轮 传递至前输出轴，从而进入四轮驱动低速模式。

2 分动器初始数字模型建立

根据整车最高时速、最大扭矩、最大功率、最高转速、质量等参数信息，计算并确定分动器中心距、齿轮模数、轴径等参数。

（1）确定分动器结构方案设计，主要确定齿轮、传动机构形式。（2）确定分动器基本参数，主要包含传动比、中心距等。（3）分动器齿轮的设计，主要包含模数、压力角、螺旋角、齿宽、齿数、强度计算、材料选择等。（4）分动器轴和轴承的设计和校核，主要包含軸的设计原则、尺寸初选、结构设计、啮合套的设计等。（5）分动器轴强度计算，分析受力、刚度和强度计算。（6）变速器同步器及结构件箱体设计。（7）确定各部件结构类型后，利用ADANS/View提供的零件几何图形，建立分动器初始数字模型。

3 分动器优化设计

（1）目标函数。1）分时四驱汽车一般在两驱工况下使用较多，两驱和四驱切换时车速较低，因此优化设计时主要考虑到四驱工况时车辆爬坡能力，选取动力性指标中的最大爬坡度作为评价指标。2）考虑城市环境下四驱车辆车速不高，百公里燃油消耗量作为评价指标，选取车速分别为20 km/h、40 km/h、60 km/h工况下的混合燃油消耗量作为评价燃油经济性的指标，每种工况系数各取1/3。3）为了使齿轮传动平稳，减小传动中的冲击及降低传动噪声，选取齿轮重合度作为评价分动器振动噪声的评价指标。

（2）设计变量。由以上目标函数可确定优化设计变量为：行星齿轮中太阳轮齿数、行星轮齿数、齿圈齿数、模数、螺旋角、齿宽、行星轮个数。

（3）约束条件。根据分动器的性能要求及行星轮系的装配条件、邻接条件，建立如下约束条件：①确定优化变量的约束范围。②行星轮系的传动比条件。③同心条件。④装配条件。⑤邻接条件相邻两行星轮的齿顶圆不得相交。

（4）实施遗传算法优化：

1）基于遗传算法多目标满意度的Matlab优化流程如图2所示。

2）为了抑制标准遗传算法的早熟收敛、局部搜索能力差和后期种群同化现象，采用多目标满意度遗传算法进行优化设计，具体步骤如下：①确定变量的可行域，并对可行域内的点进行二进制编码。②在可行域中产生M 个初始种群，并确定每个种群中个体数目，选取初始种群数为10，每个种群中的个体数目为40。③根据上述地目标函数的确定方法计算各初始种群个体的适应度函数值。④在最大遗传代数范围内，对每一个种群中的个体进行选择、交叉、变异操作，并计算出子代适应度函数值以及在该函数中进行重插入操作，文中选取最优个体最少保持代数为500，代沟为0.9，交叉概率在0.7～0.9 中选择，变异概率在0.001～0.05中选择。⑤对适应度高的个体进行移民操作。⑥人工选择出精华种群，计算出精华种群中的最优个体，判断当前优化值是否比前一次优化值大， 如果当前优化值比前一次优化值大，则更新最优值;反之，则使最优保持代数加一，并返回到步骤④。

4 AVL-cruise 虚拟仿真验证

为了验证优化结果的准确性，基于 AVL-cruise软件建立车辆的整车仿真模型。在此环境下开展优化前后车辆的动力性、燃油经济性等性能仿真分析，对比仿真结果，选择最佳优化方案。

5 结束语

基于多目标满意度遗传算法，建立分动器优化模型，不断优化分动器的结构方案，使其更好的匹配整车其它零部件，进而提升整车设计性能。

参考文献：

[1]郭学军.新一代5t级越野汽车全时分动其开发[J].汽车技术，2011.

[2]陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析级ADAMS应用[M].北京：清华大学出版社，2005.