商用車駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

曹文超

摘要：隨著目前對商用車品質(zhì)的要求越來越高，商用車的平順性問題越發(fā)受到關(guān)注。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展對汽車性能的研究和開發(fā)起到了越來越重要的作用。駕駛室的懸置系統(tǒng)是影響平順性的重要方面，而通過對駕駛室的懸置參數(shù)優(yōu)化匹配可以達(dá)到提高商用車平順性和舒適性的目的?；诖?，本文主要對商用車駕駛室懸置系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：商用車駕駛室；懸置系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

前言

目前商用車駕駛室懸置形式主要有兩種———半浮式懸置和全浮式懸置。商用車一般行駛在路況較差的路面上，司機(jī)駕駛時間較長，容易導(dǎo)致疲勞，這樣會影響到駕駛的安全性；因此商用車的駕駛舒適性問題逐漸引起了人們的關(guān)注。

1、整車模型與路面的建立和驗證

1.1整車模型與路面的的建立

根據(jù)某款商用車拓?fù)潢P(guān)系及企業(yè)提供的主要參數(shù)，在ADAMS/Car中將半掛牽引車劃分為駕駛室系統(tǒng)、動力總成、前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、貨箱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和輪胎等子系統(tǒng)。依次對每個子系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過通訊器將各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，最后得到的半掛牽引車虛擬樣機(jī)模型。根據(jù)《機(jī)械振動-道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告》（GB7031—2005），推薦路面功率譜密度為

Gd（n）=Gd（n0）（n/n0）-w

式中：n為空間頻率（m-1）；n0=0.1m-1為參考空間頻率；Gd（n0）為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度，即路面不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，決定了路面功率譜密度的頻率結(jié)構(gòu)。

1.2整車模型驗證

按照《汽車平順性試驗方法》（GB/T4970—2009），樣車在滿載情況下分別以40，50，60，70，80km/h的車速在性能路面勻速行駛一段距離，并采集座椅椅墊上方、座椅靠背、腳背地板上的3個方向的振動，按照隨機(jī)輸入行駛評價指標(biāo)計算得到綜合加權(quán)加速度均方根值。在ADAMS/Car中，對應(yīng)地采集滿載整車模型在B級路面上分別在40，50，60，70，80km/h速度下行駛的振動數(shù)據(jù)，計算得到仿真綜合加權(quán)加速度均方根值。

2、商用車駕駛室懸置系統(tǒng)

2.1商用車駕駛室懸置振動系統(tǒng)

考慮整車模型與優(yōu)化算法耦合時優(yōu)化仿真迭代時間長、效率低的特點，本文在整車模型的基礎(chǔ)上單獨調(diào)出駕駛室懸置系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化匹配。此商用車的駕駛室采用全浮式駕駛室，在懸置4點處采集加速度信號作為激勵信號。

駕駛室振動問題比較復(fù)雜，需要根據(jù)具體的研究問題簡化振動系統(tǒng)，使之能夠反映駕駛室振動特性。首先建立駕駛室懸置系統(tǒng)。視駕駛室主要部件為剛體。實車中存在大量的連接襯套，這些襯套都是非線性材料的橡膠襯套，在建模時需要對橡膠襯套進(jìn)行線性處理。

2.2建立駕駛室多體動力學(xué)模型

通過駕駛室懸置振動系統(tǒng)的分析，需要在ADAMS中建立駕駛室的動力學(xué)模型。在ADAMS中對駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模，模型包括駕駛室前懸置、后懸置、座椅、駕駛員等。部件之間通過線性襯套連接。

3、駕駛室懸置系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化

3.1多島遺傳算法（MIGA）

遺傳算法（geneticalgorithm）是一類基于生物界的適者生存的進(jìn)化規(guī)律演化而來的隨機(jī)化搜索方法。選擇算子、交叉算子、變異算子是遺傳算法的主要3個進(jìn)化算子。在遺傳算法在應(yīng)用過程中容易產(chǎn)生早熟現(xiàn)象，將嚴(yán)重地影響遺傳算法的應(yīng)用效果。

本文采用島嶼模型進(jìn)行子群體之間信息的偽并行算法（即多島遺傳算法）。它有別于傳統(tǒng)遺傳算法，把種群分為若干個子種群，這些子種群被稱為“島嶼”。在每個“島嶼”上按照傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行獨立的選擇、交叉、變異。定期在各個島嶼上隨機(jī)選擇一些個體“遷移”到別的“島嶼”上，通過遷移周期和遷移率這2個參數(shù)來控制整個遷移過程。通過多島遺傳算法的“島嶼”與“遷移”策略的控制，可加強(qiáng)全局搜索能力，避免局部最優(yōu)。

3.2多集成系統(tǒng)優(yōu)化

本文基于Isight平臺，集成軟件ADAMS、Matlab及多島遺傳算法，通過優(yōu)化計算在三者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，得到最優(yōu)解集。

3.3優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

由于影響駕駛室隔振因素很多，本文取主要影響因子作為試驗因子。在此選擇駕駛室前懸置系統(tǒng)的剛度與阻尼、駕駛室后懸置系統(tǒng)的垂向橫向減震器剛度與阻尼，以及橫向垂向減震器上點位置坐標(biāo)共8個設(shè)計變量。駕駛室懸置系統(tǒng)的約束條件為前后懸置的動擾度。參照企業(yè)試驗車輛駕駛室懸置系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，將動撓度設(shè)為小于50mm。

采用駕駛室綜合加權(quán)加速度均方根值以及座椅俯仰角和座椅側(cè)傾角的角加速度均方根值作為整車行駛平順性優(yōu)化目標(biāo)，并考慮后懸置橫向和垂向減振器之間夾角對駕駛室隔振的影響。其中夾角大小通過后懸置減振器的位置坐標(biāo)來控制。

3.3.1模型參數(shù)設(shè)計

通過駕駛室懸置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型確定設(shè)計變量時，應(yīng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)能力、保證模型達(dá)到靜平衡以及懸置設(shè)計的基本原則確定設(shè)計變量的比例范圍，如表1所示。

多島遺傳算法通過控制遷移率和遷移周期兩個變量保證種群的多樣性，以此提高全局收斂性。遷移率是指島上種群有多大的概率進(jìn)行遷移。遷移周期是指被選中的個體需要多久將遷往到其他島嶼。遷移率和遷移周期分別設(shè)定為0.01和5。

3.3.2目標(biāo)比例因子的選取

在對駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時，需要考慮目標(biāo)比例因子的選取。在ISIGHT下進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時會將所有目標(biāo)取其加權(quán)和作為ISIGHT總的目標(biāo)函數(shù)Objective：Objective=Sum（WF*Xi/SF）式中：WF為權(quán)重因子；SF為比例因子；Xi為目標(biāo)值。

當(dāng)多目標(biāo)在不同數(shù)量級時，會導(dǎo)致其中某一目標(biāo)起的作用很小，甚至可以忽略。要想使用ISGHT恰當(dāng)?shù)厍蠼舛嗄繕?biāo)優(yōu)化問題，就必須定義合適的權(quán)重與比例因子。目標(biāo)值比例因子設(shè)置如表1所示。

3.3.3后懸置減振器夾角對駕駛室隔振的優(yōu)化分析

通過改變駕駛室后懸置水平和垂向減震器上點的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的位置改變水平和垂向夾角。隨著后懸置之間的夾角越來越大，綜合總加權(quán)加速度均方根值的分布也越來越集中，并且越來越小，可近似認(rèn)為后懸置水平和垂向之間的夾角和駕駛室加權(quán)加速度均方根值成反比的關(guān)系。當(dāng)后懸置減振器夾角達(dá)到70°～80°時，綜合總加權(quán)加速度基本趨于最小值，并趨于收斂。

4、結(jié)語

考慮到多目標(biāo)之間的矛盾性，根據(jù)權(quán)重系數(shù)與比例系數(shù)對駕駛室懸置系統(tǒng)進(jìn)行決策優(yōu)化分析。結(jié)果表明：俯仰特性幅值平均下降22.3%；側(cè)傾特性幅值平均下降25.5%；綜合加權(quán)加速度均方根值平均下降10.7%。駕駛室懸置系統(tǒng)的性能得到了很好的提高，提高了商用車的舒適性，具有一定的工程應(yīng)用參考價值。

參考文獻(xiàn)：

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