汽車懸架系統(tǒng)平順性分析與優(yōu)化設(shè)計

丁殿龍

摘要：隨著我國經(jīng)濟的建設(shè)，汽車工業(yè)得到了快速的發(fā)展，人們對現(xiàn)代汽車的各項使用性能的要求也因此不斷提高，汽車懸架系統(tǒng)也得到了越來越多的關(guān)注。文章針對汽車懸架系統(tǒng)的平順性進行了分析，針對汽車懸架系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計過程中懸架的彈性和阻尼參數(shù)的選取等問題將平順性作為優(yōu)化的目標，提出多目標優(yōu)化設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：汽車懸架系統(tǒng)；平順性；優(yōu)化設(shè)計；汽車工業(yè)；彈性；阻尼參數(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：U463 文章編號：1009-2374（2016）20-0031-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.014

1 汽車懸架系統(tǒng)平順性不確定性優(yōu)化

事實上，在汽車制造的過程中往往真實的作業(yè)和測量之間存在較大的誤差，這些最優(yōu)化參數(shù)在后期加工中具有很強的不確定性。因此，在進行設(shè)計的過程中需要考慮到誤差的影響，為此可以在設(shè)計中采用區(qū)間優(yōu)化模型，對汽車的平順性進行不確定性優(yōu)化工作。

1.1 汽車平順性優(yōu)化模型

1.1.1 設(shè)計變量的選取。由于懸架彈簧和阻尼在汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計中的作用，可以看出兩者之間具有相互抑制的作用，因此為了保證車輛和乘員的安全統(tǒng)一結(jié)合就需要進行最優(yōu)化設(shè)計。其中將懸架彈簧的彈性和阻尼參數(shù)作為設(shè)計的向量X：X=[K，C]其中k代表彈簧的彈性系數(shù)，C代表阻尼系數(shù)。

1.1.2 確定目標函數(shù)。通常情況下，我們將震動的物理量作為汽車行駛的平順性的評價指標。其中以車身加速度均方根最為常用。當加速度均方根較大時往往會給人帶來不舒服甚至是健康受到損壞的影響。為此，我們確立有關(guān)的目標函數(shù)：

f（X）：

1.1.3 建立約束條件。為了保證能夠給駕駛帶來良好的平順性，這就需要轎車的懸架的設(shè)置相對較軟，將靜撓度h設(shè)置較大，同時受到結(jié)構(gòu)的限制，需要對其進行合理的控制，因此在對懸架的彈性進行設(shè)計的約束為：

式中：m表示相對彈簧的等效懸掛質(zhì)量；hR、hL分別表示懸架的靜撓度的上、下設(shè)計極限值。

通常來說，阻尼比ζ能夠用來評價震動的衰減速度的。設(shè)計區(qū)間：

式中：C標示阻尼系數(shù)；ζL、ζR分別表示阻尼比ζ的上、下約束。

由于當系統(tǒng)的固有頻率so得到降低的時候可以有效地減小車身振動的加速度，有利于建設(shè)汽車的舒適性。需要保證固有頻率滿足：

式中：SOL、SOR分別為固有頻率的上、下約束。懸架的限位行程[Dd]受到結(jié)構(gòu)的影響不能夠過大，通常維持在7～9cm之間。為了確保懸架撞擊有限位塊的概率不超過0.3%；同時當車輪相對動載荷大于1時，車輪會出現(xiàn)和地面脫離的狀況帶來安全隱患。當車輪相對動載較大時就會對地面造成損壞。因此就需要將車輪脫離地面的可能性降低保持在不超過0.15%的范圍內(nèi)。這就需要動撓度均方根和輪胎的相對動載均方根滿足：

σDjd≤[Dd]/3；σFjd≤1/3

由此可以將以上公式進行整合建立汽車懸架系統(tǒng)平順性的優(yōu)化模型。

1.2 汽車平順性的區(qū)間優(yōu)化

在工程設(shè)計中，人們已經(jīng)逐漸意識到不確定性優(yōu)化的重要性。事實上，不確定性研究工作的開展并不順利，這主要是由于傳統(tǒng)模式下的人們主要采用對參數(shù)的概率進行分析，這就需要將大量的概率方法應(yīng)用到不確定問題中，這些概率往往需要大量的隨機變量測試進行分析，這就使得測試的工作量巨大成本較高完成的難度較大。此時區(qū)間數(shù)優(yōu)化作為一種相對獨特的不確定優(yōu)化方法，只需要進行較少的測試，通過較少的數(shù)據(jù)信息確定不確定因素的上、下界，有效地實現(xiàn)了經(jīng)濟化和方便地工作完成。

1.3 汽車懸架系統(tǒng)振動模型區(qū)間優(yōu)化的分析

接下來將本文涉及的優(yōu)化方法應(yīng)用到二自由度汽車懸架振動模型中進行應(yīng)用。將車輛的振動模型懸架系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)定和取值，當非懸掛物的質(zhì)量為m1=40.5kg時，對四種本文主要研究的影響參數(shù)進行優(yōu)化。將區(qū)間參數(shù)的不確定水平都確定為7%左右，設(shè)定相應(yīng)的取值范圍，建立汽車平順性區(qū)間優(yōu)化問題：

在實際運算的過程中，考慮約合的平均值，同時考慮平均值不同的影響情況。綜合來看，就需要將參數(shù)的不確定性水平的增加控制，因為RPDI值的增加意味著汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計的困難性增加，這就需要盡量在設(shè)計過程中和測量過程中減小測量存在的誤差，將參數(shù)的不確定性控制在較小的范圍內(nèi)，同樣我們還可以根據(jù)類似的方法對四自由度和七自由度進行設(shè)計。

2 汽車懸架系統(tǒng)平順性與操縱穩(wěn)定性多目標優(yōu)化工作

整車的多目標優(yōu)化模型的建立過程需要綜合考慮到車身的質(zhì)量因素以及各個輪胎的質(zhì)量垂直自由度等各個因素。在這個過程中為了確保數(shù)據(jù)準確，可以利用建立數(shù)學(xué)模型的方法對此進行設(shè)計。根據(jù)相應(yīng)原理列出力矩平衡的公式，并建立如圖1所示模型：

在設(shè)計的過程中考慮車身的側(cè)向力的作用，繞著側(cè)傾軸線進行傾斜作用，同時建立相應(yīng)的微分方程。

并根據(jù)這個方程建立模型，見圖2。

在對整車進行布置的過程中需要通過改變穩(wěn)定桿的直徑來調(diào)整橫向穩(wěn)定桿的彈性。當線剛度已知的情況下，就可以根據(jù)相應(yīng)的數(shù)值進行計算，得到懸架彈簧的傾斜角的剛度。對實際的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，當轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸入是以角度的形式呈現(xiàn)時，車輪的轉(zhuǎn)向的角度成為了另一個自由度。轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖，同時得到相應(yīng)的公式，加以平衡。其中簡圖設(shè)計如圖3所示：

當汽車進行正常的行駛的過程中，傾斜角較小時，角度和力呈線性關(guān)系分部。隨后對相應(yīng)的參數(shù)進行合理的設(shè)計，建立多目標優(yōu)化模型。事實上，當車身側(cè)傾角過大時會給駕駛員帶來一定的安全隱患，因此只有正確選取車身的垂直方向的加速度值才能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。此時，將汽車轉(zhuǎn)向行駛過程中的車身側(cè)傾角作為目標函數(shù)，同時建立目標函數(shù)：

minf1（X）=σi（X）

minf2（X）=maxφ（X）

緩和沖擊和抑制振動恰好是兩個對立的關(guān)系，這就需要保證汽車在正常運行的前提下，對兩者進行調(diào)整。對懸架系統(tǒng)的彈簧的彈性和阻尼系數(shù)進行配比，保證能夠穩(wěn)定的運作。同時，需要引起注意的是，橫向穩(wěn)定桿的作用，為了防止車身在轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)過大的橫向的傾斜，這就需要設(shè)立相應(yīng)的橫向穩(wěn)定桿，增加懸架系統(tǒng)側(cè)傾角的剛度，降低了行駛過程中汽車的傾斜程度。針對各部分因素的不同影響，優(yōu)化設(shè)計變量。

X=[k5，k6，c5，c6，φ1，φ2]

建立相應(yīng)的約束條件，通過對區(qū)間分析對不確定性進行控制，建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型。汽車處于高速穩(wěn)定下，隨著車速的不斷增加，側(cè)傾角速度也隨之增加，穩(wěn)定時間更長，汽車更加穩(wěn)定，更加具有平順性和操縱穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文通過利用區(qū)間的數(shù)學(xué)分析法，建立數(shù)學(xué)模型對不確定性因素加以分析，對參數(shù)進行優(yōu)化和設(shè)計，有效地提高了汽車懸架系統(tǒng)的平順性和操縱穩(wěn)定性。在實際操作過程中，還需要進行大量的實驗進行證實，確保穩(wěn)定性和安全性，給汽車發(fā)展行業(yè)帶來更廣闊的市場和空間。

參考文獻

[1] 倪彰，王凱，鹿麟祥，等.純電動汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計與平順性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，（12）.

[2] 謝慧超，姜潮，張智罡，等.基于區(qū)間分析的汽車平順性優(yōu)化[J].汽車工程，2014，（9）.