懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀分析

【摘 要】本文以懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，通過(guò)分析，了解到國(guó)內(nèi)外懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，為懸架系統(tǒng)的仿真優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，有利于提高汽車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。

【關(guān)鍵詞】懸架系統(tǒng) 優(yōu)化 現(xiàn)狀分析

一、引言

在研究汽車諸多的行駛性能中，汽車動(dòng)力學(xué)研究的建模、分析與求解始終是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題[1]。汽車本身是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，由于它的工作情況、使用環(huán)境的復(fù)雜多變，給汽車動(dòng)力學(xué)研究帶來(lái)了很大困難。同時(shí)由于理論方法和計(jì)算手段的限制，該學(xué)科曾一度發(fā)展較為緩慢。主要原因之一是無(wú)法有效的處理復(fù)雜外界載荷作用下多自由度分析模型的建立和求解問(wèn)題[2]。因此，在許多實(shí)際研究中，不得不把模型簡(jiǎn)化，以便使用古典力學(xué)的方法人工求解，從而導(dǎo)致汽車的許多重要的動(dòng)力學(xué)特性無(wú)法得到較精確的定量分析。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，加快了多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展步伐，為汽車動(dòng)力學(xué)研究提供了一個(gè)方便快捷的手段。從此，汽車動(dòng)力學(xué)研究的力學(xué)模型逐漸由線性模型發(fā)展到非線性多體系統(tǒng)模型，模型的自由度數(shù)由二個(gè)自由度發(fā)展到數(shù)十個(gè)自由度，甚至到數(shù)百上千個(gè)自由度，仿真計(jì)算也由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性的計(jì)算發(fā)展到瞬態(tài)響應(yīng)特性和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)特性的計(jì)算。到二十世紀(jì)八十年代初，不僅有許多通用的軟件可以對(duì)汽車系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，而且還有各種針對(duì)汽車某一類問(wèn)題的專用多體軟件。研究的范圍從局部結(jié)構(gòu)到整車系統(tǒng)，涉及汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方方面面。八十年代中期是多體動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)研究推動(dòng)最快的時(shí)期。國(guó)外各主要汽車生產(chǎn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，如Ford、GM、BMW、Audi、Renault和Volvo等汽車公司的產(chǎn)品研發(fā)部門安裝使用了大量的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，并與有限元分析、模態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等軟件一起形成了一個(gè)整體，同時(shí)集成了這些汽車公司在汽車設(shè)計(jì)、開發(fā)等方面的經(jīng)驗(yàn)，逐步形成整車設(shè)計(jì)軟件包，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)采用多體動(dòng)力學(xué)研究汽車動(dòng)力學(xué)的工作雖然起步較晚，但發(fā)展還是較快的。從八十年代中后期開始，我國(guó)的部分高等院校相繼將多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法引入到汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究中，其中在應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)開展汽車動(dòng)力學(xué)研究較多的著名高校有吉林工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等，至今為止，研究領(lǐng)域也從開始的剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究擴(kuò)展到包含柔體的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究，許多學(xué)者的研究成果為我國(guó)的汽車制造企業(yè)在開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車中起到了指導(dǎo)性作用[3]，并在每?jī)赡昱e行一次的車輛界最高的學(xué)術(shù)會(huì)議——國(guó)際車輛動(dòng)力學(xué)會(huì)議上發(fā)表了許多有價(jià)值的論文。

優(yōu)化設(shè)計(jì)始于二十世紀(jì)五十年代，普及應(yīng)用于七十年代，是最優(yōu)化數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的試算法、表格法、圖算法等設(shè)計(jì)方法相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)可以大大縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，尤其是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法涉及的汽車復(fù)雜多體系統(tǒng)的最優(yōu)動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)問(wèn)題方面。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)可以最大限度地考慮從不同角度提出的設(shè)計(jì)要求，在各種約束條件下，尋找滿足預(yù)定要求的最優(yōu)汽車動(dòng)力學(xué)性能。因此，近二十年來(lái)，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在理論和應(yīng)用上都得到了很大的發(fā)展，已成為現(xiàn)代汽車工程設(shè)計(jì)方法體系中的一個(gè)重要組成部分。

我國(guó)從二十世紀(jì)七十年代中后期開始了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、方法和應(yīng)用的研究，并逐漸地將這些研究成果應(yīng)用于汽車工程設(shè)計(jì)之中[4]。優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域的應(yīng)用最初就是從懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開始的。因?yàn)槠噾壹芟到y(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性以及汽車零部件的使用壽命等都有十分重要的影響，設(shè)計(jì)中所涉及的因素很多，用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出的方案是難以滿足多方面的要求的，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)為這一問(wèn)題的解決提供了強(qiáng)有力的工具。

近年來(lái)，隨著多體動(dòng)力學(xué)軟件功能的擴(kuò)展，在汽車多體復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型環(huán)境下，對(duì)汽車各子系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化將逐步開始運(yùn)用，從而可以使模型精度和優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的精度大大提高，在三維汽車振動(dòng)等效模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用汽車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可將更多的影響因素考慮進(jìn)來(lái)，如在模型中考慮懸架中采用的橡膠襯套，并計(jì)入懸架彈簧和減振器及輪胎的非線性特性，然后用非線性整車模型進(jìn)行優(yōu)化分析。文獻(xiàn)[5]就是用多體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)某轎車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行了優(yōu)化研究，并較詳細(xì)地分析懸架系統(tǒng)中的橡膠襯套的剛度對(duì)該車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響規(guī)律。此外，汽車的主動(dòng)和半主動(dòng)懸架逐漸成為國(guó)內(nèi)外懸架技術(shù)研究的熱點(diǎn)，尤其是在懸架參數(shù)的控制方法和控制策略方面，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。但對(duì)于控制對(duì)象一懸架特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化范圍研究也是相當(dāng)重要的，這對(duì)開發(fā)出高性能的主動(dòng)或半主動(dòng)懸架系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用。

對(duì)于獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了研究。這些研究主要集中在以下幾個(gè)方面：獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)方法；獨(dú)立懸架參數(shù)對(duì)車輛行駛平順性的影響；獨(dú)立懸架參數(shù)對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性影響。國(guó)內(nèi)的研究目前主要表現(xiàn)為：獨(dú)立懸架和轉(zhuǎn)向系的匹配；懸架彈性元件的設(shè)計(jì)分析；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析；獨(dú)立懸架對(duì)前輪定位參數(shù)的影響；獨(dú)立懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。國(guó)外除上述研究外，還進(jìn)入了微觀領(lǐng)域的研究，如用原子力學(xué)顯微鏡觀察懸架材料內(nèi)部聚合體的電子轉(zhuǎn)化情況、研究懸架作為彈性介質(zhì)的流變特性等，從而使得獨(dú)立懸架向著智能化、輕量化、小型化、通用化方向發(fā)展。同時(shí)由于電子、微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得獨(dú)立懸架技術(shù)向半主動(dòng)、主動(dòng)懸架方向發(fā)展。

三、結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)在傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)上缺乏經(jīng)驗(yàn)，尤其一些汽車企業(yè)基本上是仿造其它廠家同類型車輛的懸架系統(tǒng)，或者是把其它車輛上的懸架系統(tǒng)直接拿過(guò)來(lái)安裝，在設(shè)計(jì)上存在著很大的缺陷，在使用安全上存在不確定性。

在建立各種結(jié)構(gòu)型式懸架的參數(shù)化虛擬模型和開發(fā)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化專用軟件方面，國(guó)內(nèi)外還未見有文章進(jìn)行報(bào)導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]張?jiān)浇?多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在轎車動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化研究中的應(yīng)用.[清華大學(xué)博士論文].1997：20-45