一種汽車懸架系統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種綜合考慮汽車平順性與操縱穩(wěn)定性的懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化設(shè)計方法。針對汽車懸架系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計中行駛平順性和操縱穩(wěn)定性兩個目標相互矛盾的問題，建立汽車懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化模型。提出了基于遺傳算法的懸架剛度、橫向穩(wěn)定桿剛度以及懸架阻尼參數(shù)的優(yōu)化匹配方法，以平順性評價指標車身加速度均方根值和對操縱穩(wěn)定性影響很大的車身側(cè)傾角最小為優(yōu)化目標，以懸架偏頻和不足轉(zhuǎn)向增益等影響平順性和操縱穩(wěn)定性的性能指標為約束，在行駛平順性和操縱穩(wěn)定性方面有了較大的提高，汽車整體性能明顯改善；有橫向穩(wěn)定桿的汽車表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性與平順性。
【專利說明】一種汽車懸架系統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域，涉及一種汽車懸架系統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽車懸架參數(shù)的變化直接影響車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性，兩性能之間具有矛盾 關(guān)系，平順性增加，一定程度上使操縱穩(wěn)定性有降低趨勢，反之亦然。汽車平順性主要是保 持行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊對乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，并保持貨物完好。 汽車操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn) 向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當遭遇外界干擾時，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛 的能力。汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性是汽車非常重要的性能指標，懸架系統(tǒng)對這兩個性 能有著決定性的影響。
[0003] 目前在關(guān)于汽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化研究中，一般是通過adams等商業(yè)軟件建立復(fù)雜 的虛擬仿真模型或在此基礎(chǔ)上建立近似模型進行優(yōu)化，容易產(chǎn)生較大的累積誤差，造成計 算不準確；另外還有些將操縱穩(wěn)定性或平順性評價指標之一作為目標函數(shù)，另一性能指標 作為約束條件，這樣得到的最優(yōu)解或偏向平順性，或偏向操縱穩(wěn)定性，偏重無法確定。目前 還沒有關(guān)于操縱穩(wěn)定性與平順性相結(jié)合的懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模優(yōu)化方面的研究和專利。
[0004] 本發(fā)明根據(jù)車輛物理模型，利用汽車動力學(xué)基本理論建立車輛操縱穩(wěn)定性與行駛 平順性數(shù)學(xué)模型，充分考慮懸平順性與操縱穩(wěn)定性之間的關(guān)系，將兩者的評價指標同時作 為目標函數(shù)，提出了一種操縱穩(wěn)定性與行駛平順性相結(jié)合的多目標優(yōu)化設(shè)計方法，可得到 不同性能偏好下的懸架參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。設(shè)計者可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果按車輛的主要使用環(huán)境選擇 不同懸架匹配參數(shù)，對于保障實際中車輛平順性、穩(wěn)定性及保證懸架整體性能具有重要工 程意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明考慮了汽車平順性與操縱穩(wěn)定性這兩個對汽車質(zhì)量評價十分重要的性能 指標。為解決兩者對懸架系統(tǒng)參數(shù)要求存在一定矛盾的問題，在此提出了一種考慮行駛平 順性和操縱穩(wěn)定性的汽車懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化方法。此方法具體步驟如下：
[0006] 步驟1 :建立汽車懸架系統(tǒng)的動力學(xué)模型；
[0007] 步驟2 :根據(jù)汽車動力學(xué)理論得出懸架系統(tǒng)的運動微分方程；
[0008] 步驟3 :求解步驟2中所建立的運動微分方程，建立目標函數(shù)，這里分別以車身加 速度均方根值最小和轉(zhuǎn)向時最大車身側(cè)傾角最小為目標；
[0009] 步驟4 :選取懸架彈簧剛度、橫向穩(wěn)定桿剛度及減振器阻尼作為優(yōu)化設(shè)計變量，以 懸架偏頻和不足轉(zhuǎn)向增益等影響平順性和操縱穩(wěn)定性的性能指標為約束，從而建立一個多 目標優(yōu)化模型；
[0010] 步驟5 :采用非支配排序遺傳算法NSGA-II進行優(yōu)化，得出一個pareto前沿面，根 據(jù)不同偏好選取最優(yōu)妥協(xié)解。
[0011] 其中，步驟2中所建立的與平順性相關(guān)振動微分方程為：
[0012] M/ < / ： KZ K Q
[0013] 式中：質(zhì)量矩陣M為：

【權(quán)利要求】
1. 一種綜合考慮行駛平順性與操縱穩(wěn)定性的汽車懸架系統(tǒng)多目標優(yōu)化設(shè)計方法，用于 汽車懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，所述方法包括以下步驟： 步驟1 :建立汽車懸架系統(tǒng)的動力學(xué)模型； 步驟2 :根據(jù)汽車動力學(xué)理論得出懸架系統(tǒng)的運動微分方程； 步驟3 :求解步驟2中所建立的運動微分方程，建立目標函數(shù)，分別以車身加速度均方 根值最小和轉(zhuǎn)向時最大車身側(cè)傾角最小為目標； 步驟4 :選取懸架彈簧剛度、橫向穩(wěn)定桿剛度及減振器阻尼作為優(yōu)化設(shè)計變量，以影響 平順性和操縱穩(wěn)定性的性能指標為約束，建立一個多目標優(yōu)化模型； 步驟5 :采用非支配排序遺傳算法NSGA-II進行優(yōu)化，得出一個pareto前沿面，根據(jù)不 同偏好選取最優(yōu)妥協(xié)解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述運動微分方程包括與平順性有關(guān)的振動微分 方程和與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的運動微分方程，該與平順性有關(guān)的振動微分方程為： 式中：質(zhì)量矩陣M為：
阻尼矩陣C為：
輪胎剛度矩陣Kt為：
激勵向量Q = Iiq1 q2 q：3 qJT，z、、I;分別是位移、速度、加速度向量， Z = lzi Z2 Z3 Z4 Z5 0爐f，!^、叫分別為前、后輪胎質(zhì)量，m5為車身質(zhì)量，Ix、Iy分另U 為車身繞橫軸和縱軸的轉(zhuǎn)動慣量，ki、k2分別為前、后輪胎的垂直剛度，k5、k6分別為前、后懸 架彈簧的剛度，C5、C6分別為前、后懸架減振器的阻尼，d為左右車輪之間的輪距，a、b分別 為前、后軸到車身質(zhì)心的水平距離。 該與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的運動微分方程為：
式中：V為汽車質(zhì)心速度，β為汽車質(zhì)心側(cè)偏角，^為車身側(cè)傾角，h為側(cè)傾力臂，即懸 架上質(zhì)心與側(cè)傾中心高度差，m為整車質(zhì)量，分別為前、后懸架總的側(cè)傾角剛度， ?,/、Cw.分別為前、后懸架側(cè)傾阻尼，Iz為整車橫擺轉(zhuǎn)動慣量，r為橫擺角速度， Fyf為前軸 側(cè)偏力，F(xiàn)yr為后軸側(cè)偏力，T為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩，Is為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量，Θ為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角， α為轉(zhuǎn)向柱與Z軸夾角，i為轉(zhuǎn)向系傳動比，Dw為輪胎回正力臂，Iw為前輪繞主銷轉(zhuǎn)動慣量， S為前輪轉(zhuǎn)角，Cw為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，1("為轉(zhuǎn)向系對車身剛度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，懸架的側(cè)傾角剛度是指側(cè)傾時單位車身轉(zhuǎn)角下懸架系 統(tǒng)給車身總的彈性恢復(fù)力矩，對于汽車前、后軸來說，總的側(cè)傾角剛度值由懸架彈簧角剛度 和橫向穩(wěn)定桿的角剛度兩部分組成：
式中：為前懸架彈簧側(cè)傾角剛度，'為前懸架橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度，'2為后 懸架彈簧側(cè)傾角剛度，為后懸架橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度，橫向穩(wěn)定桿的剛度與其結(jié)構(gòu)布 置及穩(wěn)定桿直徑相關(guān)。 對于非獨立懸架，懸架彈簧側(cè)傾角剛度可通過如下近似計算得到：
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中步驟3中所述建立目標函數(shù)是根據(jù)振動理論的微 分方程求解： 進行平順性分析時，根據(jù)輸入的路面不平度功率譜及由車輛懸掛系統(tǒng)參數(shù)求出的頻率 響應(yīng)函數(shù)，可以求出各振動響應(yīng)的功率譜和標準差，用來分析振動系統(tǒng)參數(shù)對各物理量的 影響和評價平順性，對振動微分方程兩邊進行傅立葉變換，可以求得振動系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 函數(shù)Η(ω):
式中：ω為車身振動圓頻率，矩陣Η(ω)中第i行第j列元素知表示第j個車輪處路 面輸入到車輛系統(tǒng)第i個自由度的頻率響應(yīng)函數(shù)； 由系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性以及路面不平度輸入的功率譜密度矩陣可得各振動響應(yīng)量的譜 密度，振動模型中第i個自由度響應(yīng)點的位移響應(yīng)自功率譜密度G2i和加速度功率譜密 為：
式中=Hi(Co)為頻率響應(yīng)矩陣Η(ω)第i行，表示共軛矩陣，Gq(CO)為四輪輸入情 況下路面不平度功率譜矩陣，T表示矩陣的轉(zhuǎn)置； 隨機路面輸入下的振動響應(yīng)量取正、負的概率相同，均值近似為零，方差即等于均方 值，第i個自由度響應(yīng)點的加速度均方根值為：
式中：ω2、Co1分別為頻率的上、下限， 操縱穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型不能導(dǎo)出直接確定各響應(yīng)或評價指標的表達式，可采用龍格庫塔 法對操縱穩(wěn)定性的運動微分方程求解。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，為改善車輛行駛平順性，選取車身加速度均方根值最 小作為第一個優(yōu)化目標；為改善汽車操縱穩(wěn)定性，取汽車轉(zhuǎn)向行駛時最大車身側(cè)傾角最小 作為第二個目標函數(shù)，建立如下目標函數(shù)：
式中：Χ為優(yōu)化設(shè)計向量，f\(X)、f2(X)分別為建立的兩個目標函數(shù)，σ%為車身加速度 均方根值，為汽車轉(zhuǎn)向行駛時車身側(cè)傾角的最大值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟4所述優(yōu)化設(shè)計變量X為： 其中，k5、k6分別為前、后懸架彈簧的剛度，為前懸架橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度，^lr2 為后懸架彈簧側(cè)傾角剛度，c5、C6分別為前、后懸架減振器的阻尼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，汽車懸架系統(tǒng)的約束條件有頻率約束：根據(jù)隔振原理， nfI； < nf < η?Κ、ηΛ < K < nf/r^ < NK，nf、r^分別為前、后懸架偏頻；質(zhì)心側(cè)偏角約 束：β < βκ;瞬態(tài)不足轉(zhuǎn)向增益約束：汽車瞬態(tài)操縱過程中不足轉(zhuǎn)向增益定義為車 身橫擺角速度與前輪轉(zhuǎn)角之比r/ δ，Ga彡4 = r/ δ彡Grii ;側(cè)向加速度方向盤力矩梯度約 束：規(guī)定力輸入下側(cè)向加速度方向盤力矩梯度Τ% < Tp = T/ay < Tpk ;阻尼約束：懸架系統(tǒng) 阻尼比需滿5
.，其中下標L表示左輪，R表示右輪。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，建立優(yōu)化模型如下： minF (X) = {?λ (X), f2 (X)} s. t. nfL < nf < nfR nrL < nr < nrE Nl < N = nf/nr < Ne β L β β R GrL 彡 Gr = r/ δ 彡 Grli TpL ^ Tp = T/ay ^ TpE
式中：F⑴為目標函數(shù)向量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述影響平順性和操縱穩(wěn)定性的性能指標為懸架 偏頻和不足轉(zhuǎn)向增益。
【文檔編號】B60G17/015GK104385873SQ201410493332
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】姜潮, 于盛, 趙旭光, 韓旭 申請人:湖南大學(xué)