翻译
基于自适应模拟退火算法的铰接式自卸车主减速器最佳设计
摘要——铰接式自卸车主减速器的结构和尺寸极大地影响了汽车的动力性和经济性能。 为满足接触强度条件，弯曲强度和边界约束，在主减速器最小体积目标函数条件下它建立了铰接自卸车主减速器的最佳数学设计模型。自适应模拟退火算法作为优化战略和铰接式自卸车主减速器的使用案例。 结果表明该方法可以得到最优解的结构，有效减少主减速器的尺寸，并证明了方法的可行性和正确性。 它有重要的理论和实用工程意义。
关键词：自适应模拟退火; 铰接式转储卡车; 主减速器; 优化设计
- 介绍
在露天金属矿和露天煤矿开发和利用大量增长的情况下，阐明自卸车在矿区发挥的重要作用。 在现在，铰接式自卸车在国内外（ADT短期）市场由外国公司垄断，每个公司都有自己独立开发驱动轴的技术。 TL345J型45t铰接式自卸车由秦皇岛通讯与联合重工、北京科技大学、北京技术联合开发，并独立设计贯通轴。 在著作中详细介绍了贯通轴。
主减速器是驱动桥中非常关键的部件，其作用是改变驱动方向，降低速度和增加扭矩。 这将足以确保汽车有驱动和适当的速度工作，所以主减速器通常使用螺旋锥齿轮驱动。 主减速器需要承受交变载荷，载荷，歪斜加工，齿轮根中的弯曲应力，以及在齿轮表面大的表面接触应力，这使齿轮根底产生疲劳断裂故障和齿轮表面脱落。 齿轮结构的好坏，桥梁的可靠性和使用寿命直接影响驾驶性能。 所以设计和齿轮减速器的可靠性优化将会很大意义提高其性能。
- 自适应模拟退火的概述与算法
自适应模拟退火算法（ASA）是改进的模拟退火算法，其最大的特征是温度T之间和退火时间K的指数关系，并且其可以在多维参数空间根据灵敏地信息适应性地进行退火处理调节。 该方法可以处理任何系统和目标函数，而且编码简单，高效，稳定，通用灵活。 如果一个优化中存在大量的解决方案，优化只注重解决方案的质量，算法可以得到最优解或近似最优解决方案，成本最低。 但退火过程重复循环以及目标函数使优化过程更慢，效率更低。
- 主减速器的设计
- 设计变量的选择
当给出了传递扭矩和传动比等条件，确保螺旋伞齿轮传动所需参数有：主动锥齿轮z 1，其大端到端的模数表面m n，从动锥齿轮宽度B和中点螺旋角beta;m。 所以主减速器的优化设计变量如下：
(1)
- 目标函数的确定
为了提高齿轮的承载能力和延长使用寿命，本文选择了最小负载的斜角齿轮单元长度作为主减速器优化的目标函数，然后可以目标函数表达如下：
（2）
其中，Tj是锥齿轮上的扭矩(N ＆m)
alpha;是锥齿轮中心线压力角;
i0是主减速器齿轮比率;
ε是叠加比， ，εalpha;是横向叠加比，εbeta;是齿线重叠率。
- 约束条件
对于45吨铰接式自卸车的主减速器，螺旋锥齿轮的设计变量应满足以下约束条件。
- 主从锥齿轮的弯曲应力应小于允许值，则约束如下：
(3)
其中： （4）
其中：
Tji是主从动齿轮斜面的计算扭矩;
K0是冲击载荷生成的过载系数，赋值为1;
Ks是尺寸因子 ，定义为;
Km是载荷分布系数，赋值为1.1;
Kv是质量因子，赋值1;
J是计算弯曲的强调积分系数。
- 由于齿面接触应力的驱动和从动锥齿轮是相等的，它们应该都小于其相应的允许接触应力，因此接触疲劳应力的约束条件为如下:
(5)
(6)
其中：
Tji是主从动齿轮斜面的计算扭矩;
d1为主动锥齿轮的节圆直径;
pC是材料的弹性系数，钢制齿轮赋值 232.612/ N mm;
Kf是表面质量因子;
J计算接触应力积分因数。
3）主减速器壳体是确定离地间隙的重要参数，因此应该满足以下汽车通过性要求：
（7）
其中：
h是从动锥齿轮与主齿轮厚度到主减速器壳的间隙;
r为滚动半径；
d2为从动锥齿轮的节圆直径;
D是驱动轴的最小离地间隙。
- 主减速器以Temax作为最大输入时，节圆直径d2应满足以下条件：
（8）
其中：
Temax是发动机最大转矩；
ig是变速器传动比；
if是一档驱动比；
i0为主减速器传动比;
n是驱动轴的数量。
当变速器以直接挡传送最大转矩Temax时，节圆直径d2应满足以下条件：
（9）
其中：
G是轴负载;
ig是变速箱直接档的传动比。
以下条件可以通过方程（8）和方程（9）约束
（10）
从等式（10）获得的更大的值是从动锥齿轮的节圆直径的约束条件。
- 对于重型车辆，其主减速器中主动锥齿轮的大端模量可以通过计算扭矩计算：
（11）
其大端到端面模数的约束条件可以得到：
（12）
- 驱动和从动锥齿轮的齿应该满足Z1 Z2ge;40，即：
（13）
- 因为i0le;6，为了顺利和改善接合的疲劳强度，驱动斜面的齿齿轮应该满足7 le;Z1le;15，所以设计变量应该有以下约束：
（14）
8）从动锥齿轮齿齿宽B的约束条应为:0.15d2le;Ble;0.16d2，即：
(15)
- 作为主动锥齿轮的齿宽中点的螺旋角beta;m，通常汽车的主减速器壳体螺旋角是beta;m = 35ordm;〜40ordm;，可以获得约束条件：
（16）
- 为保证齿线（轴向）叠加比，根据啮合的要求，齿线叠加比必须为：
（17）
齿线叠加的约束条件比例如下：
（18）
- 优化结果
TL345J型45t铰接主减速器通过Isight和matlab软件的优化将ASA和优化算法应用到设计中，迭代过程目标函数如图1所示 。当主减速器应用ASA优化，则假设传统设计值作为初始值进行优化。 优化之后，优化结果如表1所示。从结果中可知，通过自适应模拟退火算法进行优化实现期望的结果。
（运行计数器）
表1优化的结果
|
该设计变量和目的功能 |
X1 |
X2(m) |
X3(m) |
X4(ordm;) |
目的功能F（N / mm） |
|
传统设计 |
11 |
13 |
68.5 |
35ordm; |
17713.5 |
|
优化设计 |
13 |
12.09 |
70.8 |
38.5ordm; |
10775.1 |
- 总结
根据铰接式卡车主减速器的设计要求，在本文中，将采用通过ISIGHT和Matlab软件进行优化的自适应模拟退火算法和优化算法。 结果表明所提出的方法是可行的，效果是更明显，并且在相同的参数下，可以实现一个通过多适应性模拟退火算法得到的更好结构的最优解。 主减速器稳定性能，结构紧凑，符合设计要求。
- 参考文献
[1]林生同，博强。 双列轴末端传动设计基于45吨铰接式自卸卡车的双列轴末端传动设计。 煤矿机械，pp.16-18，2008，02。
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[7]平原西。 应用MATLAB / TOOLKIT实现机械优化设计。 机械设计与研究。 19，pp。40-42，2003年3月。
汽车主减速器遗传算法和神经网络的优化设计
西平原 桂燕 王冰
摘要——汽车主减速器的结构和尺寸对汽车的动力性和燃油经济性很大大，因此采用优化方法设计汽车主减速器非常重要。 合适的齿轮接触强度、齿梁强度、边界约束条件、创建优化数学模型是为了得到节圆柱体的体积之和最小的齿轮副。 考虑低效率和局部最优的问题是由传统方法带来的。因此混合采用遗传算法求解优化模型，并应用神经网络方法拟合系数。 以便使过程简化，全局最优化更加可靠。
- 介绍
汽车主减速器功能是增加输入转矩并相应地降低转速。 应用单速变频器的许多汽车，采用的是圆柱齿轮结构，因为它具有许多优点，如结构紧凑，高传输效率和高速性能。 汽车主减速器的结构和尺寸对汽车的动力性和经济性影响很大，因此采用优化方法设计汽车主减速器非常重要。 考虑低效率的问题和局部最优由传统最优方法引起，因此混合采用遗传算法进行优化汽车最终驱动模型和适用于拟合系数的神经网络方法。 所以优化过程获得简化和使全局最优更加可靠。
- 遗传算法原理
遗传算法是用于求解优化的方法，是基于自然选择，过程驱动生物进化的理论上。 遗传算法重复修改个体来解决方案的总体。 在每个步骤，遗传算法从中随机选择当前个体作为父母并且将他们生产的儿童作为下一代。 在连续时代中，人口“演变”为最佳解决方案。
遗传算法主要使用三种类型的规则，每一步从当前个体创建下一代人口：
（1）选择规则，成为父母的个体：为下一代的人口做出贡献。
（2）交叉规则，两个父母结合形成下一代。
（3）突变规则，儿童随机转变成为父母。
遗传算法与标准优化算法在两个主要方面有不同之处，总结如下：
（1）在每次迭代的时间点中生成的人口数接近最优解。
（2）通过随机计算选择下一个群体。 因此，你可以应用遗传算法解决各种不太好运用标准优化算法的问题，包括目标函数不连续的问题，例如不可分化的，随机的或高度非线性的。
- 主减速器的优化模型
设计范例：单速变频器应用于a汽车，其结构是圆柱齿轮具有如下主要参数：输入扭矩T = 100N·m，工作载荷因子k = 1.08，齿轮比u = 4.33。 双向传动，不对称布置，齿轮材质：小齿轮 - 40Cr，淬火和回火，齿轮 - 45钢，淬火和回火。
图1.主减速器齿轮组的组态图。
- 指定目标函数
为确保结构紧凑和重量最轻并且最小化汽车主减速器的成本，目标函数应该指定为节圆体积的总和，汽车主减速器齿轮副倾斜到最小。 根据图1。 D 1，D 2和B是节圆小齿轮和齿轮的直径以及驱动齿轮齿宽，因此齿轮副的圆柱体体积是：
（1）
其中：m-齿轮模块;
psi;d-面宽因子;
Z
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