復(fù)合工況下平順性優(yōu)化體系的建立及仿真驗(yàn)證

高 潔，陳 克

復(fù)合工況下平順性優(yōu)化體系的建立及仿真驗(yàn)證

高 潔1，陳 克2

（1.大連交通技師學(xué)院（大連市交通口岸職業(yè)技術(shù)學(xué)校）軌道交通系，遼寧 大連 116013； 2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

平順性優(yōu)化是提升車(chē)輛性能的重要途徑。文章基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立復(fù)合工況下平順性優(yōu)化體系。選擇平順性綜合評(píng)價(jià)值和懸架參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化變量，確定約束條件和因素水平，編制試驗(yàn)方案。采用仿真試驗(yàn)研究法，完成復(fù)合工況下的平順性試驗(yàn)，分析懸架參數(shù)不同因素水平對(duì)平順性影響的主次關(guān)系。研究結(jié)果表明，復(fù)合工況能綜合考慮路況條件和車(chē)速影響，反映車(chē)輛真實(shí)行駛狀態(tài)，懸架參數(shù)的最優(yōu)組合使整車(chē)平順性得到綜合提升，驗(yàn)證了平順性優(yōu)化體系的合理性和可行性。

平順性；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)；綜合評(píng)價(jià)；仿真試驗(yàn)研究法；復(fù)合工況

提升駕乘舒適度[1]、改善車(chē)輛平順性是在研車(chē)型設(shè)計(jì)和舊款車(chē)型升級(jí)改造的關(guān)鍵。在影響平順性的諸多因素中，懸架作為重要的傳力連接裝置，對(duì)提升平順性影響直接、操作可行、效果明顯。在反映真實(shí)行車(chē)狀態(tài)的復(fù)合工況下，選擇科學(xué)的優(yōu)化方法，建立合理的優(yōu)化體系，分析車(chē)輛懸架系統(tǒng)的最佳參數(shù)匹配條件，對(duì)改善汽車(chē)平順性有重要的實(shí)際意義。

復(fù)合工況下的汽車(chē)平順性優(yōu)化體系是采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[2-4]，依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路[5-7]，構(gòu)建一個(gè)目標(biāo)變量明確、參數(shù)條件限定、方案執(zhí)行合理的優(yōu)化程序[8-9]，用以解決不同路面工況、不同車(chē)速條件、不同測(cè)量點(diǎn)等復(fù)合試驗(yàn)工況下平順性的優(yōu)化問(wèn)題，確保優(yōu)化的系統(tǒng)性、全面性和可靠性。

本課題將依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，首先，建立復(fù)合試驗(yàn)工況下平順性優(yōu)化體系，選擇平順性綜合評(píng)價(jià)值和懸架彈簧剛度曲線值、減振器阻尼曲線值作為優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化變量，確定5個(gè)相關(guān)的約束條件，并以±10%和±20%浮動(dòng)已設(shè)定的優(yōu)化變量值，確定4個(gè)因素水平，選擇16(45)正交表，編制16組試驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，分析懸架系統(tǒng)中不同因素對(duì)平順性的影響程度，得出研究車(chē)輛在復(fù)合試驗(yàn)工況下行駛時(shí)，懸架系統(tǒng)各性能參數(shù)的最優(yōu)組合情況。接著，在指定復(fù)合工況下完成平順性仿真試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證平順性優(yōu)化體系的合理性和可行性。

1 平順性非線性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 整車(chē)仿真模型

以某型運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē)（Sports Utility Vehicle, SUV）為研究對(duì)象，基本參數(shù)如表1所示。

聯(lián)合HyperMesh、ANAS、PreSys/VPG等虛擬仿真技術(shù)，建立整車(chē)非線性仿真模型，如圖1所示。整車(chē)裝配后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，整車(chē)仿真模型共有538 135個(gè)節(jié)點(diǎn)，540 720個(gè)單元模塊，其中梁?jiǎn)卧?2個(gè)，殼單元527 149個(gè)，實(shí)體單元13 308個(gè)，質(zhì)量單元231個(gè)。經(jīng)測(cè)算，模型總質(zhì)量為1 620.3 kg，前軸載荷46%，后軸載荷54%，該數(shù)據(jù)與實(shí)車(chē)參數(shù)相匹配，符合仿真試驗(yàn)條件。

表1 車(chē)輛基本參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值 整備質(zhì)量/kg1 620軸距/mm2 660 排量/L2.4前輪距/mm1 560 長(zhǎng)(mm)×寬(mm)×高(mm)4 630×1 855×1 720后輪距/mm1 560 前懸架類(lèi)型麥弗遜式獨(dú)立輪胎規(guī)格225/65 R17 后懸架類(lèi)型雙叉臂式獨(dú)立徑向剛度/(N/mm)325 前懸架軸荷/kg854徑向阻尼比0.05 后懸架軸荷/kg680靜摩擦系數(shù)0.94 前懸架剛度/(N/mm)31動(dòng)摩擦系數(shù)0.74 后懸架剛度/(N/mm)30胎壓/kPa220

圖1 整車(chē)仿真模型

1.2 復(fù)合路面仿真模型

為反映車(chē)輛真實(shí)行駛狀態(tài)，讓研究車(chē)輛以不同車(chē)速通過(guò)不同路面，具體仿真試驗(yàn)工況如表2所示。

首先，基于HyperMesh的二次開(kāi)發(fā)，讀取和編輯B級(jí)隨機(jī)路面和脈沖路面的高程數(shù)據(jù)，分別創(chuàng)建隨機(jī)平直路面、隨機(jī)彎曲路面、脈沖路面幾何模型。接著，在PreSys中調(diào)整三個(gè)路面的位置，并將相鄰的重疊節(jié)點(diǎn)捏合，使三個(gè)路面共享邊界節(jié)點(diǎn)，完成復(fù)合路面仿真模型的建立。最后，通過(guò)ANSA軟件的網(wǎng)格檢查和修復(fù)功能，檢查路面單元法向，如有問(wèn)題，需通過(guò)修復(fù)功能轉(zhuǎn)換單元法向。

表2 試驗(yàn)工況

路面工況隨機(jī)平直路面隨機(jī)彎曲路面脈沖路面 路長(zhǎng)/m503010 試驗(yàn)車(chē)速/(km/h)604020

1.3 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

經(jīng)整車(chē)仿真模型的建立，相關(guān)連接和各部分接觸的定義以及計(jì)算條件的設(shè)定后，最終建立平順性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

參照《汽車(chē)平順性試驗(yàn)方法》（GB/T 4970－2009）[10]進(jìn)行仿真試驗(yàn)，定義模型計(jì)算初始步長(zhǎng)1.0e?6 s，終止時(shí)間8.6 s，計(jì)算機(jī)每執(zhí)行5 000次循環(huán)后記錄一次數(shù)據(jù)。采用計(jì)算機(jī)輔助工程（Com- puter Aided Engineering, CAE）云計(jì)算方式，通過(guò)提交仿真模型K文件進(jìn)行計(jì)算，獲取駕駛員座椅面、駕駛員座椅靠背和駕駛員腳部地板面三個(gè)測(cè)試點(diǎn)在時(shí)域和頻域下的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算平順性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)研究車(chē)輛的平順性做出評(píng)價(jià)分析。

2 復(fù)合工況下平順性優(yōu)化體系的建立

應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，建立復(fù)合工況下平順性優(yōu)化體系，主要步驟如下：

1.選擇平順性優(yōu)化目標(biāo)

依據(jù)平順性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及多層次模糊綜合評(píng)價(jià)體系[11-12]的內(nèi)容，選擇車(chē)輛平順性綜合評(píng)價(jià)值作為優(yōu)化目標(biāo)：

式中，z為車(chē)輛平順性綜合評(píng)價(jià)值，是在平順性綜合評(píng)價(jià)模糊評(píng)價(jià)集基礎(chǔ)上，建立研究車(chē)輛在不同試驗(yàn)工況和車(chē)內(nèi)不同測(cè)試點(diǎn)位置的平順性能值關(guān)系矩陣，通過(guò)考慮不同測(cè)試點(diǎn)位置，完成一級(jí)模糊評(píng)價(jià)，再通過(guò)考慮不同試驗(yàn)路況，完成二級(jí)模糊評(píng)價(jià)，獲得的平順性綜合評(píng)價(jià)值。

2.選擇平順性優(yōu)化變量

對(duì)現(xiàn)有車(chē)型平順性進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，由于相關(guān)元件的選擇和安裝已完成，車(chē)輛主要部件結(jié)構(gòu)的修改受功能、成本、工藝等因素的限制。因此，本課題選擇對(duì)懸架彈簧剛度和減振器阻尼的非線性曲線值進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究車(chē)輛整車(chē)平順性能的優(yōu)化提升，同時(shí)，也可為新車(chē)型的參數(shù)設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和合理的分析結(jié)論。平順性優(yōu)化變量：

式中，f、r分別為前后懸架彈簧剛度參數(shù)，N/mm；f、r分別為前后懸架減振器阻尼參數(shù)，N·s/mm。

3.確定平順性優(yōu)化約束條件

為保證在車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化時(shí)不影響車(chē)輛其他性能，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)要對(duì)懸架進(jìn)行基本的約束，具體內(nèi)容如下：

1）懸架對(duì)稱約束

考慮到懸架設(shè)計(jì)時(shí)左右具有對(duì)稱性，在仿真試驗(yàn)分析時(shí)，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)置懸架左右結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同，即

2）懸架剛度約束

要獲得車(chē)輛良好的平順性，就要盡量降低懸架剛度，而懸架剛度的降低會(huì)導(dǎo)致車(chē)身固有頻率的降低，這就要求懸架有較大的靜撓度。此外，為盡量減少車(chē)身縱向角振動(dòng)，這就要求后懸架的靜撓度要比前懸架的靜撓度小一些。已知研究車(chē)輛懸架靜撓度的設(shè)計(jì)范圍為100～300 mm，則懸架剛度約束：

式中，f、r分別為前、后懸簧載質(zhì)量，kg。

3）懸架阻尼約束

在車(chē)輛懸架減振器阻尼的設(shè)計(jì)中，振動(dòng)衰減的快慢程度要用相對(duì)阻尼系數(shù)體現(xiàn)。已知研究車(chē)輛懸架減振器相對(duì)阻尼系數(shù)的取值范圍為0.25～0.35，則懸架阻尼約束為

4）懸架動(dòng)撓度約束

受懸架結(jié)構(gòu)的約束，懸架動(dòng)行程[d]的取值范圍為70～90 mm。為了保證懸架動(dòng)行程在行駛時(shí)撞擊限位塊的概率小于0.3%，則懸架動(dòng)撓度均方根值約束為

式中，[d]為懸架動(dòng)行程，mm；σdf、σdr分別為前、后懸架動(dòng)撓度均方根值。

5）懸架偏頻約束

考慮前后懸架合理的共振頻率，懸架偏頻約束為

式中，f、r分別為前、后懸架偏頻。

4.確定平順性優(yōu)化因素水平

依據(jù)所選擇的平順性優(yōu)化變量，確定懸架彈簧剛度和減振器阻尼4個(gè)因素水平，每個(gè)因素以初始值±10%和±20%浮動(dòng)，建立試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析的因素水平，如表3所示。

表3 平順性試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析因素水平表

水平因素前懸架彈簧剛度后懸架彈簧剛度前懸架減振器阻尼后懸架減振器阻尼 水平1-20%-20%-20%-20% 水平2-10%-10%-10%-10% 水平3+10%+10%+10%+10% 水平4+20%+20%+20%+20%

獲得懸架彈簧剛度和減振器阻尼的非線性曲線值變化情況，如圖3－圖6所示。

5.選擇適合平順性優(yōu)化的正交表

選用四水平標(biāo)準(zhǔn)正交表16(45)[2]，代表因素水平數(shù)4個(gè)，因素?cái)?shù)5個(gè)，平順性優(yōu)化試驗(yàn)次數(shù)為16次，正交表的具體內(nèi)容參照前文所述的因素水平變化情況。

圖3 前懸架彈簧剛度水平變化情況

圖4 后懸架彈簧剛度水平變化情況

圖5 前懸架減振器阻尼水平變化情況

圖6 后懸架減振器阻尼水平變化情況

6.編制平順性優(yōu)化仿真試驗(yàn)方案及獲取試驗(yàn)結(jié)果

按照正交表編制平順性優(yōu)化仿真試驗(yàn)方案，在平順性仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中完成試驗(yàn)，并獲取試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

表4 平順性優(yōu)化仿真試驗(yàn)方案

試驗(yàn)因素 前懸架彈簧剛度后懸架彈簧剛度前懸架減振器阻尼后懸架減振器阻尼空列平順性綜合評(píng)價(jià)值 試驗(yàn)1111110.937 2 試驗(yàn)2122220.937 6 試驗(yàn)3133330.935 9 試驗(yàn)4144440.931 9 試驗(yàn)5212340.943 6 試驗(yàn)6221430.935 7 試驗(yàn)7234120.928 3 試驗(yàn)8243210.923 5 試驗(yàn)9313420.941 2 試驗(yàn)10324310.936 5 試驗(yàn)11331240.913 5 試驗(yàn)12342130.908 5 試驗(yàn)13414230.935 9 試驗(yàn)14423140.925 6 試驗(yàn)15432410.918 7 試驗(yàn)16441320.910 9

7.分析平順性優(yōu)化仿真試驗(yàn)結(jié)果

首先，分析各因素對(duì)指標(biāo)影響的主次。

式中，K為試驗(yàn)方案中第列因素水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和；為因素?cái)?shù)。

式中，R為第列因素的極差，反映的是第列因素水平波動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度；R越大，說(shuō)明該因素對(duì)平順性的影響越大。

接著，確定各因素應(yīng)采取的水平。因素水平的選取與要求的指標(biāo)有關(guān)，對(duì)于汽車(chē)平順性研究，要求平順性綜合評(píng)價(jià)值越大越好，代表駕乘人員舒適性越好，因此，本課題應(yīng)選取值對(duì)應(yīng)指標(biāo)最大的水平。

最后，確定各因素應(yīng)采取水平的最佳組合。充分考慮影響平順性的主次因素情況，按照有利于指標(biāo)的要求選取水平，確定各因素的最佳組合方式。

經(jīng)計(jì)算，得到平順性優(yōu)化直觀分析表，如表5所示。

表5 平順性優(yōu)化直觀分析表

指標(biāo)因素 前懸架彈簧剛度后懸架彈簧剛度前懸架減振器阻尼后懸架減振器阻尼 K13.742 63.757 93.697 33.699 6 K23.731 13.735 43.708 43.710 5 K33.699 73.696 43.726 23.726 9 K43.691 13.674 83.732 63.727 5 k10.935 70.939 50.924 30.924 9 k20.932 80.933 90.927 10.927 6 k30.924 90.924 10.931 60.931 7 k40.922 80.918 70.933 20.931 9 R0.012 90.020 80.008 90.007 0 主次因素Kr＞Kf＞Cf＞Cr 最優(yōu)方案Kf1Kr1 Cf4Cr4 最優(yōu)方案水平-20%-20%+20%+20%

表5中的數(shù)據(jù)表明，影響研究車(chē)輛平順性能的主要因素依次是后懸架彈簧剛度、前懸架彈簧剛度、前懸架減振器阻尼和后懸架減振器阻尼。研究車(chē)輛平順性優(yōu)化的最佳組合方式是前懸架剛度曲線值-20%，后懸架剛度曲線值-20%，前懸架減振器阻尼曲線值+20%和后懸架減振器阻尼曲線值+20%。

3 復(fù)合工況下平順性優(yōu)化體系仿真驗(yàn)證

依據(jù)國(guó)標(biāo)平順性評(píng)價(jià)方法[10]，計(jì)算研究車(chē)輛各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)綜合加權(quán)加速度均方根值和振動(dòng)計(jì)量值，并對(duì)比優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)[13]，如表6所示。

表6 優(yōu)化前后研究車(chē)輛各測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

試驗(yàn)工況測(cè)試點(diǎn)位置座椅面(m/s2)座椅靠背(m/s2)地板面(m/s2)XYZXYZXYZ 優(yōu)化前隨機(jī)平直路面，車(chē)速60 km/h0.186 30.183 00.201 90.473 30.465 60.530 10.454 80.454 50.488 0 0.3300.4930.253 隨機(jī)彎曲路面，車(chē)速40 km/h0.278 90.272 80.304 40.621 10.600 20.634 80.728 80.765 40.824 7 0.4950.6340.423 脈沖路面，車(chē)速20 km/h1.150 01.149 41.570 53.193 53.194 54.233 63.100 33.098 04.113 7 2.2613.4561.977 優(yōu)化后隨機(jī)平直路面，車(chē)速60 km/h0.169 90.166 80.187 90.437 00.429 30.497 10.419 20.418 90.457 5 0.3030.4560.236 隨機(jī)彎曲路面，車(chē)速40 km/h0.263 00.257 10.286 50.609 30.591 70.607 90.708 90.737 90.787 3 0.4660.6200.406 脈沖路面，車(chē)速20 km/h1.271 01.270 41.701 33.528 63.529 54.623 13.405 73.403 44.454 5 2.4753.8082.150

表6中的數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后，車(chē)輛在隨機(jī)路面行駛時(shí)，研究車(chē)輛各測(cè)試點(diǎn)各軸向的加權(quán)加速度均方根值和總加權(quán)加速度均方根值都有不同程度的減小，而在經(jīng)過(guò)脈沖路面時(shí)，卻出現(xiàn)了比較明顯的增大情況。這說(shuō)明，復(fù)合工況下，車(chē)輛結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化對(duì)平順性優(yōu)化呈現(xiàn)不同的影響效果，車(chē)輛在某一段路況下平順性的提升不能代表全路況下平順性能的優(yōu)化情況，還可能制約、降低車(chē)輛在其他路況連續(xù)行駛時(shí)的平順性能。因此，為確保車(chē)輛平順性優(yōu)化的合理性，需綜合考慮車(chē)輛實(shí)際的行駛工況。

再依據(jù)平順性綜合評(píng)價(jià)體系，計(jì)算得到研究車(chē)輛優(yōu)化前后，各測(cè)試點(diǎn)的平順性綜合評(píng)價(jià)值，優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后研究車(chē)輛各測(cè)試點(diǎn)的平順性綜合評(píng)價(jià)值對(duì)比

同時(shí)，對(duì)比車(chē)輛優(yōu)化前后的平順性綜合情況，如表7所示。

表7 優(yōu)化前后研究車(chē)輛平順性綜合情況對(duì)比

對(duì)比內(nèi)容模型優(yōu)化前模型優(yōu)化后優(yōu)化情況 綜合評(píng)價(jià)值0.933 90.952 9提升 2.03% 人的主觀感覺(jué)有一些不舒服有一些不舒服略有改善 評(píng)價(jià)等級(jí)二級(jí)（好）二級(jí)（好）保持不變

4 結(jié)論

本課題基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，建立了復(fù)合試驗(yàn)工況下平順性優(yōu)化體系，并確定5個(gè)相關(guān)的約束條件和4個(gè)因素水平，選擇16(45)正交表，編制試驗(yàn)方案。依據(jù)所需復(fù)合試驗(yàn)工況，完成整車(chē)平順性仿真試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后相同試驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)，得出如下主要結(jié)論：

1）車(chē)輛懸架參數(shù)優(yōu)化后，各測(cè)試點(diǎn)在隨機(jī)平直路面行駛的平順性綜合評(píng)價(jià)值平均提升了3.3%，在隨機(jī)彎曲路面行駛的平順性綜合評(píng)價(jià)值平均提升了2.5%，在脈沖路面行駛的平順性綜合評(píng)價(jià)值平均降低了3.1%，整體平順性綜合評(píng)價(jià)值提升了2.03%，雖然評(píng)價(jià)等級(jí)保持不變，但駕乘人員感覺(jué)略有改善。

2）本次研究車(chē)輛平順性優(yōu)化的最佳組合方式對(duì)隨機(jī)振動(dòng)輸入的減振效果較好，卻不能很好的應(yīng)對(duì)突發(fā)較大的脈沖輸入。由于隨機(jī)路面在復(fù)合路況中占比最大，所以隨機(jī)路面下車(chē)輛平順性的提升對(duì)整車(chē)平順性綜合優(yōu)化起到積極的作用，驗(yàn)證了在復(fù)合試驗(yàn)工況下進(jìn)行車(chē)輛平順性優(yōu)化，方法可行、結(jié)果可靠。

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Establishment and Simulation Verification of Ride Comfort Optimization System under Composite Working Conditions

GAO Jie1, CHEN Ke2

( 1.Rail Transit Department, Dalian Technician College of Transportation ( Dalian Traffic and Port Vocational School ), Dalian 116013, China; 2.College of Automobile and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China )

Ride comfort optimization is an important aspect to improve vehicle performance. The ride comfort optimization system under composite working conditions is established based on the orthogonal experimental design in this paper. The comprehensive evaluation value of ride comfort, suspension parameters are selected as the optimization objectives and variables, the constraint conditions and factor levels are determined, and the test scheme is formulated. The simulation test research method is used to complete the ride comfort test under composite working conditions, and the primary and secondary relationship of different factors of suspension parameters on ride comfort are analyzed. The test results show that the composite working conditions can reflect the real driving state of the vehicle by considering the influence of road conditions and speed comprehensively. The optimal combination of suspension parameters can comprehensively improve vehicle ride comfort performance, the rationality and feasibility of the ride comfort optimization system are verified.

Ride comfort; Orthogonal experimental design; Comprehensive evaluation; Simulation test researchmethod; Composite working conditions

U462

A

1671-7988(2023)19-116-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.023

高潔（1984－），女，博士，高級(jí)講師，研究方向?yàn)槠?chē)動(dòng)力學(xué)仿真，E-mail:gaojie_1314@126.com。