優(yōu)化設(shè)計在汽車行業(yè)的應(yīng)用*

郝悅 夏奎 段云嬌 馬洋洋

（長安大學(xué)）

優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用了最優(yōu)化相關(guān)理論和計算機(jī)科學(xué)算法與基礎(chǔ)知識等，是工程設(shè)計當(dāng)中一種非常重要的設(shè)計方法。為了能夠提高設(shè)計效率并且改善設(shè)計質(zhì)量，應(yīng)合理利用優(yōu)化設(shè)計的方法和理論，從而能夠科學(xué)地比較各種設(shè)計方案，從中選擇出綜合性最好的設(shè)計方案。優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用到汽車產(chǎn)品上會帶來很大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，并減少生產(chǎn)成本。前人對此已經(jīng)利用CAD和CAE等軟件及有限元和模態(tài)分析等方法得到了很多的研究成果，其中包括對于整車、發(fā)動機(jī)、底盤、車身及電器等大方面，也包括對轉(zhuǎn)向盤和后視鏡等小方面。但是總的來說，并沒有一個較為綜合的研究成果。因此，文章通過一個綜合的表述說明了優(yōu)化設(shè)計在汽車行業(yè)的應(yīng)用，有利于讀者全面地了解優(yōu)化設(shè)計與汽車的相關(guān)性。

1 優(yōu)化設(shè)計的介紹

優(yōu)化設(shè)計是一門多學(xué)科交叉的學(xué)科，它包括對所要達(dá)到的優(yōu)化目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，從中選擇設(shè)計變量和目標(biāo)函數(shù)，同時整理出設(shè)計問題；也包括優(yōu)化方法和計算程序，建立怎樣的數(shù)學(xué)模型及在建立數(shù)學(xué)模型后怎么計算。一般的優(yōu)化設(shè)計是在目標(biāo)函數(shù)給定的情況下，求解模型中的最優(yōu)值。

2 優(yōu)化設(shè)計在汽車行業(yè)的應(yīng)用

2.1 汽車發(fā)動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計

目前，應(yīng)用到發(fā)動機(jī)上的優(yōu)化方法為有限元方法。采用有限元的方法可以對計算機(jī)輔助設(shè)計進(jìn)行分析計算，能夠達(dá)到優(yōu)化發(fā)動機(jī)整體與零部件的強(qiáng)度、減輕振動、降低噪聲及提高壽命與可靠性的目的。發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計中也采用流體力學(xué)的方法，主要是對發(fā)動機(jī)使用過程中的優(yōu)化，包括發(fā)動機(jī)燃燒過程中如何形成混合氣以及采取怎樣的燃燒方式和燃燒數(shù)值等。如在發(fā)動機(jī)燃燒噴射這部分，依靠發(fā)達(dá)的電子技術(shù)對其進(jìn)行管控，即控制噴油定時和次數(shù)，以便更加精確地調(diào)節(jié)燃油的供應(yīng)，更加充分地利用發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的能量，還可把握氣缸內(nèi)的綜合狀態(tài)和燃燒室內(nèi)的燃油排布，以降低排放污染。在電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管處，合理地設(shè)計電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管并配以合適的配氣正時、氣門升程及排氣系統(tǒng)等，可以有效地利用進(jìn)氣動態(tài)效應(yīng)，提高發(fā)動機(jī)的充氣效率[1]。

2.2 汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

對汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，能夠使汽車的傳動性能、燃油經(jīng)濟(jì)性及操縱穩(wěn)定性得到很大程度的改善，提高汽車的舒適性。在對汽車的優(yōu)化過程中，應(yīng)該把汽車的運行工況（如空載或滿載）作為一個考慮因素，并考慮這些工況對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性的影響。1）良好的汽車動力性是通過汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，即改變汽車傳動系傳動比來實現(xiàn)的[2]。2）通過增加汽車傳動系統(tǒng)中變速箱的擋位數(shù)，可以使汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高。增加了變速箱的擋位數(shù)，即增加了選用合適的變速箱擋位使發(fā)動機(jī)處于最佳經(jīng)濟(jì)工作狀況的機(jī)會，從而提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.3 汽車行駛系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

汽車的行駛系統(tǒng)是由懸架、車架、車橋及車輪等部分組成，其主要影響汽車的操縱穩(wěn)定性及行駛平順性。而懸架系統(tǒng)中的彈性特性和阻尼對汽車行駛平順性的影響很大。

具有線性彈性特性的汽車，在使用中其車身振動的固有頻率將隨裝載的多少而改變，尤其是后懸架載荷變化很大的貨車和大客車，這種變化將使汽車前后懸架的頻率相差過大，由此導(dǎo)致汽車車身的猛烈顛簸（縱向角振動），使汽車行駛平順性變壞[3]。為此，可采用一種變剛度的懸架，這種懸架是非線性彈性的，也就是說，隨著載荷的變化，懸架的剛度也發(fā)生變化。這樣可以使得車身在振動時保持固有頻率，進(jìn)而使得汽車在行駛過程中保持良好的平順性。此外，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧壹苓M(jìn)行輕量化設(shè)計，同時對輕量化改進(jìn)后的車架進(jìn)行有限元強(qiáng)度、剛度及模態(tài)分析，以滿足行駛工況要求下對行駛系統(tǒng)各個部分的輕量化設(shè)計。整個系統(tǒng)的輕量化設(shè)計可以提高一定的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.4 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定了汽車的駕駛舒適性并影響著操縱穩(wěn)定性。如轉(zhuǎn)向盤振動問題主要是由激勵源激勵，經(jīng)由傳遞路徑傳遞到轉(zhuǎn)向盤引起的。其中產(chǎn)生較大振動的原因是轉(zhuǎn)向盤的固有頻率在與激勵頻率耦合時會產(chǎn)生共振，這直接影響駕駛員的駕駛舒適性。為避免轉(zhuǎn)向盤的怠速共振，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤的固有頻率高于發(fā)動機(jī)的怠速激勵頻率[4]。具體優(yōu)化設(shè)計方法有：通過減輕轉(zhuǎn)向盤和主駕駛安全氣囊的質(zhì)量、減小轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動慣量及提高轉(zhuǎn)向盤骨架剛度來提高轉(zhuǎn)向盤的固有頻率；同時對轉(zhuǎn)向柱安裝支架進(jìn)行加寬、對支架的高度進(jìn)行減小并且對加強(qiáng)筋的數(shù)量進(jìn)行增加等，也可以提高轉(zhuǎn)向盤的固有頻率。

2.5 汽車制動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

制動性能是衡量汽車安全性能的一項重要指標(biāo)，因此，對汽車制動系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究也相對較多。

在汽車制動系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，應(yīng)該了解制動工作特點及工作原理，著重分析氣壓制動系統(tǒng)，對其進(jìn)行全面優(yōu)化分析。汽車制動系統(tǒng)中有很多關(guān)鍵部分，其中雙腔制動閥是比較重要的控制部分，它可以將駕駛員的緊急制動信號從制動踏板信號轉(zhuǎn)換為制動壓力信號，然后傳遞到制動器主缸。雙腔制動閥的優(yōu)化應(yīng)包括：1）對制動閥進(jìn)行優(yōu)化；2）對活塞環(huán)等的彈簧剛度進(jìn)行優(yōu)化；3）對制動閥工作過程中的壓力循環(huán)間隙進(jìn)行優(yōu)化。制動閥在優(yōu)化過程中應(yīng)當(dāng)保證管口的通氣性，進(jìn)而使得汽車的整個制動性能得到充分的發(fā)揮。在對汽車制動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，必須提升氣壓管路的效用以增加汽車制動壓力，并確定制動壓力極值與制動速度之間的對應(yīng)關(guān)系，從而建立數(shù)學(xué)模型，對制動效果進(jìn)行模擬設(shè)定[5]。

3 結(jié)論

綜上所述，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計在汽車領(lǐng)域中有相當(dāng)多的應(yīng)用，文章從幾個主要方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，包括對于發(fā)動機(jī)的燃燒過程的優(yōu)化以減少排放、對傳動系擋位的設(shè)置以提高燃油經(jīng)濟(jì)性、對行駛系輕量化的研究以減少燃油的消耗、對轉(zhuǎn)向系中轉(zhuǎn)向盤固有頻率的選擇以提高操縱穩(wěn)定性及對制動系中制動閥的優(yōu)化以提高安全性等。這些優(yōu)化可保證汽車產(chǎn)品在擁有相同或更好性能的條件下，實現(xiàn)減輕產(chǎn)品質(zhì)量、減小零部件體積及降低生產(chǎn)和使用過程中的成本的目的；同時節(jié)約了汽車設(shè)計者的大量時間，極大地提高了設(shè)計效率。隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計也會在汽車的更多方面得到應(yīng)用，使汽車的價值得到不斷的提高。