论文摘要
动力分配器可以看作是变速箱的进化，能很好地解决混联式混合动力汽车的动力耦合与能量分配问题，能满足汽车在不同负载的连续运转情况下对转速、转矩两自由度解耦要求；通过调节发电机控制发动机在最佳工作点工作，大大提高了燃油经济性。本文基于自然基金项目多场耦合条件下混动力汽车动力耦合器的设计理论与方法（51075179），对动力分配器的齿轮啮合进行研究，分析了行星齿轮轴线偏斜、轴向后移对啮合的影响，并以轻量化和高传动效率为目标对动力分配器齿轮进行优化设计。主要包括以下的研究工作：首先，分别对在行星齿轮轴向后移和轴线偏斜情况下的齿轮啮合进行了静力接触分析，结果表明二者都会使啮合应力显著增大并加剧轮齿端面的应力集中；热-结构耦合仿真分析结果表明随着齿面接触应力的增大，轮齿啮合中摩擦能耗也显著增加。其次，选取模数、行星轮齿数、传动比、行星轮轴向后移、轴线偏斜角作为输入变量，采用优化的拉丁超立方试验方法分别设计30组和10组样本点，利用Abaqus对齿轮进行热-结构耦合分析，计算啮合过程中齿面最大接触应力、转过一定角度轮齿间摩擦能耗量。然后，汇总样本点信息，分别采用多项式响应面法、径向基函数法、Kriging法构建各变量与响应的代理模型，并选用均方根误差法进行误差分析，比较各代理模型误差选取相对最准确的模型。结果表明构建的各模型代理精度均符合要求，其中径向基函数法稍优于其他方法。再次，基于之前的样本点和响应值数据，针对各参数变化对于系统状态响应所造成的不同影响进行了分析和研究，并绘制了主效应图、Pareto图，结果显示无论对于齿面接触应力还是啮合过程中的摩擦能耗，贡献率最高的都是模数。各个参数之间的交互效应图表明对于齿面接触应力和摩擦能耗，任意两个参数之间都是有交互效应的，相关分析给出了变量间关系的方向与程度，并对局部效应和全局效应分析中各参数的影响进行了排序。最后，在多学科优化设计软件Isight中，基于多岛遗传算法、非支配序列遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ）、多目标粒子群算法，采用已建立的代理模型，以齿面间最大接触应力值最小、啮合过程中摩擦能耗最低、动力分配器齿轮总体积最小为优化目标，限制行星轮轴向后移和轴线偏斜，以齿轮模数、齿数、传动比为设计变量进行了优化。优化结果显示：多岛遗传算法、NSGA-Ⅱ和多目标粒子群算法都能较准确地找到最优解所在区域，优化结果也较为接近，NSGA-Ⅱ优化结果相对最优。本文为动力分配器优化提供了一种可行的设计方法，并且分析了设计变量与系统响应之间以及设计变量相互之间的影响规律，为进一步实验分析提供依据。