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      汽車操縱穩(wěn)定性與平順性協(xié)同控制

      2023-05-30 10:48:04韋宏法
      企業(yè)科技與發(fā)展 2023年2期
      關(guān)鍵詞:聯(lián)合仿真多目標(biāo)優(yōu)化

      摘要:為了有效解決汽車操縱穩(wěn)定性與平順性難以平衡的問題,基于Adams/car軟件建立了剛?cè)狁詈系恼噭恿W(xué)模型。利用Isight多目標(biāo)優(yōu)化平臺集成Adams/Car和Matlab,以懸架彈簧剛度、減振器阻尼系數(shù)、穩(wěn)定桿和扭轉(zhuǎn)梁扭桿為設(shè)計變量,采用含有非支配排序機制的二代遺傳算法對汽車操縱穩(wěn)定性與平順性進(jìn)行聯(lián)合仿真優(yōu)化。通過試驗驗證該方法的可行性,經(jīng)過優(yōu)化后,汽車的操縱穩(wěn)定性與平順性均得到了較大的提升,有效地解決了二者之間的矛盾,縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,提升了產(chǎn)品的競爭力。

      關(guān)鍵詞:汽車操縱穩(wěn)定性;汽車平順性;多目標(biāo)優(yōu)化;聯(lián)合仿真

      中圖分類號:U461.6;TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ?文章編號:1674-0688(2023)02-0030-05

      0 引言

      近年來,隨著國家倡導(dǎo)“綠色環(huán)保,低碳出行”,并推出了發(fā)展新能源汽車的多項扶持政策,一大批新能源汽車企業(yè)涌現(xiàn)和崛起,車企產(chǎn)品更新?lián)Q代周期越來越短,如何高效推新成為車企要重點思考的問題。汽車操縱穩(wěn)定性和平順性是汽車至關(guān)重要的兩大性能,二者相互關(guān)聯(lián),相互矛盾,在汽車底盤性能的設(shè)計開發(fā)中,設(shè)計人員將大部分時間用于平衡操縱穩(wěn)定性和平順性的研究中。目前,底盤性能的開發(fā)流程如下:根據(jù)產(chǎn)品的定義制定整車性能目標(biāo)—利用虛擬仿真技術(shù)對整車性能目標(biāo)進(jìn)行分解,制定懸架K&C目標(biāo)—將懸架K&C目標(biāo)分解至硬點、彈簧、襯套、緩沖塊、減振器、輪胎等零部件級目標(biāo)—進(jìn)行底盤調(diào)校,完成底盤性能開發(fā)。在現(xiàn)有的底盤性能開發(fā)流程中,目標(biāo)分解和底盤調(diào)校需要動力學(xué)分析工程師和底盤調(diào)校工程師耗費大量的時間對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整驗證,非常依賴工程師的經(jīng)驗,但仍難獲得最優(yōu)結(jié)果且效率較低。因此,本文以某電動汽車為研究對象,運用Adams軟件建立剛?cè)狁詈系恼噭恿W(xué)仿真模型,以底盤調(diào)校中更換最頻繁且容易實現(xiàn)的彈簧、減振器、穩(wěn)定桿和扭轉(zhuǎn)梁扭桿調(diào)試件作為設(shè)計變量,聯(lián)合Isight平臺和Matlab(矩陣實驗室)軟件進(jìn)行操縱穩(wěn)定性與平順性的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化,通過優(yōu)化可以獲得滿足操縱穩(wěn)定性和平順性的設(shè)計目標(biāo)的最優(yōu)方案,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提升產(chǎn)品競爭力。

      1 剛?cè)狁詈险噭恿W(xué)模型的建立

      本文運用Adams軟件建立剛?cè)狁詈险噭恿W(xué)模型,關(guān)鍵建模參數(shù)的正確獲取尤為重要,其準(zhǔn)確性會直接影響仿真分析的結(jié)果。建模參數(shù)可分為四大類:幾何參數(shù)(硬點、四輪定位參數(shù)等)、質(zhì)量參數(shù)(質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置)、力學(xué)特性參數(shù)(彈簧剛度、減振器阻尼、輪胎力學(xué)特性等)和環(huán)境參數(shù)(路譜、風(fēng)阻等)。幾何參數(shù)通過三維模型獲取,零部件質(zhì)量參數(shù)通過三維模型或測試獲取,整車質(zhì)量參數(shù)通過經(jīng)驗公式計算或轉(zhuǎn)動慣量試驗臺測試獲取。力學(xué)特性參數(shù)通過試驗測試取得,大柔度的部件通過模態(tài)綜合法生成模態(tài)中性mnf文件。環(huán)境參數(shù)中的路譜通過數(shù)學(xué)計算或試驗測試獲取,風(fēng)阻通過經(jīng)驗公式計算獲?。?]。

      本文建立剛?cè)狁詈险噭恿W(xué)模型的前懸架為麥弗遜,后懸架為扭轉(zhuǎn)梁(帶扭桿)。前懸架的副車架、后懸架扭轉(zhuǎn)梁和車身采用模態(tài)綜合法生成柔性體,其中扭轉(zhuǎn)梁的扭桿采用beam梁建立,其余對仿真分析結(jié)果影響較小的部件采用剛體建立。用于操縱穩(wěn)定性仿真分析的輪胎采用輪胎實驗辨識得到的pac2002輪胎模型,用于平順性仿真分析的輪胎采用實驗辨識得到的Ftire輪胎模型。所建剛?cè)狁詈险噭恿W(xué)模型如圖1所示。

      2 路面模型建立

      2.1 脈沖路面

      根據(jù)《汽車平順性試驗方法》(GB/T 4970—2009)的規(guī)定[2],脈沖路面采用三角凸塊,其要求如圖2所示。

      圖2中, h=40 mm;B要求不小于車輛的車輪寬度。

      在Adams/car的路面建模器(Road Builder)中提供了凸塊路面模板“3d_road_obstacle_roof.xml”,可直接修改模板中的凸塊長度和高度,獲得所需凸塊路面模型[3]。所建脈沖路面模型如圖3所示。

      2.2 隨機路面

      隨機路面的不平度是通過功率譜密度進(jìn)行表征,根據(jù)《機械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告》(GB/T7031—2005)規(guī)定[4],路面不平度功率譜密度按公式(1)計算。

      Gd(n)=Gd(n0)(n/n0)-w? ? ? ? ? ? ? ? (1)

      公式(1)中,n為空間頻率(m-1);n0為參考空間頻率,取n0=0.1m-1;Gd(n0) 為功率譜密度參考值(m3);? ?w為頻率指數(shù),分級路面取w=2。

      本文采用諧波疊加法生成C級隨機路面,在Matlab編程路面生成程序,通過疊加不同相位以及頻率的諧波函數(shù),便可生成隨機路面高程位移[5],再將其轉(zhuǎn)化為Adams可識別的格式,所建C級隨機路面如圖4所示。

      3 操縱穩(wěn)定性與平順性多目標(biāo)優(yōu)化

      3.1 設(shè)計變量

      在底盤性能開發(fā)中,懸架K&C目標(biāo)的設(shè)定主要參考對標(biāo)車及數(shù)據(jù)庫的K&C數(shù)值,通過硬點和襯套力學(xué)特性的調(diào)整實現(xiàn)。因為硬點和襯套更改不容易實現(xiàn),所以底盤調(diào)校中常選取彈簧、減振器和穩(wěn)定桿作為常用的調(diào)試件,這些參數(shù)是影響汽車操縱穩(wěn)定性與平順性的高敏感因素。

      3.2 目標(biāo)函數(shù)

      根據(jù)產(chǎn)品定義制定的操縱穩(wěn)定性的性能目標(biāo)為不足轉(zhuǎn)向度[α]、車身側(cè)傾度K1、最大側(cè)向加速度ay、側(cè)向加速度響應(yīng)時間t1、轉(zhuǎn)向靈敏度S、轉(zhuǎn)向回正穩(wěn)定時間t2、制動俯仰梯度K2及加速俯仰梯度K3。平順性性能目標(biāo)為10~60 km/h間隔10 km/h車速下過脈沖路面的前排和后排座椅地板最大加速度的最大值az、40~80 km/h間隔10 km/h車速下過C級隨機路面的前排和后排座椅地板x/y/z方向加權(quán)加速度均方根值的最大值av。

      在匹配設(shè)計懸架系統(tǒng)時應(yīng)滿足如下條件:前排和后排的最大加速度、前排和后排的總加權(quán)加速度均方根平均值盡量小,以滿足汽車平順性能,同時汽車的不足轉(zhuǎn)向度、車身側(cè)傾度、轉(zhuǎn)向靈敏度控制在一定范圍,側(cè)向加速度響應(yīng)時間、制動俯仰梯度和加速俯仰梯度盡可能小,最大側(cè)向加速度盡可能大。所設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)及約束條件見表1。

      3.3 約束函數(shù)

      3.3.1 懸架剛度約束

      懸架的偏頻是表征汽車平順性的重要指標(biāo),設(shè)定前懸偏頻范圍為1~1.5 Hz,后懸偏頻范圍為1~1.6 Hz,前、后懸架偏頻比范圍為0.7~0.9,彈簧剛度的約束函數(shù)如公式(2)~公式(4)所示:

      4[π]2m1/i1[≤] K1s[≤] 9[π]2m1/i1? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)

      4[π]2m2/i2[≤] K2s[≤] 10.24[π]2m2/i2? ? ? ? ? ? ? (3)

      0.49[≤] [i1×K1s×m2i2×K2s×m1] [≤] 0.81? ? ? ? ? ? ? (4)

      公式(2)~公式(4)中,[m1]為前懸架簧上質(zhì)量; [m2]為后懸架簧上質(zhì)量;K1s為前懸彈簧剛度;K2s為后懸彈簧剛度;i1為前懸彈簧杠桿比;i2為后懸彈簧杠桿比。

      3.3.2 懸架阻尼約束

      相對阻尼系數(shù)表征運動衰減的速度,相對阻尼系數(shù)越大,緩沖越快,緩沖效果越好。設(shè)定減振器壓縮段相對阻尼系數(shù)范圍為0.1~0.25,減振器拉伸段相對阻尼系數(shù)范圍為0.2~0.35,減振器的阻尼系數(shù)約束函數(shù)如公式(5)~公式(8)所示:

      0.05[i3K1sm1][≤]C1[≤]0.125[i3K1sm1]? ? ? ? ? ? ?(5)

      0.1[i3K1sm1][≤]C2[≤]0.175[i3K1sm1]? ? ? ? ? ? ?(6)

      0.05[i4K2sm2][≤]C3[≤]0.125[i4K2sm2]? ? ? ? ? ? ?(7)

      0.1[i4K2sm2][≤]C4[≤]0.175[i4K2sm2]? ? ? ? ? ? ?(8)

      公式(5)~公式(8)中,C1為前懸減振器壓縮段阻尼系數(shù);C2為前懸減振器拉伸段阻尼系數(shù);C3為后懸減振器壓縮段阻尼系數(shù);C4為后懸減振器拉伸段阻尼系數(shù);[i3]為前懸減振器杠桿比;[i4]為后懸減振器杠桿比。

      3.3.3 輪胎力約束

      輪胎是車輛與地面唯一接觸的部件,因此保證輪胎與路面力傳遞的連續(xù)性,要求輪胎力大于零,輪胎力約束如公式(9)所示:

      Min(F1、F2、F3、F4)[>]0? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(9)

      公式(9)中,F(xiàn)1、F2、F3、F4分別為左前輪胎力、右前輪胎力、左后輪胎力和右后輪胎力。

      3.4 優(yōu)化實驗設(shè)計

      利用Isight多目標(biāo)優(yōu)化平臺集成Adams/Car和Matlab,采用含有非支配排序機制的二代遺傳算法進(jìn)行聯(lián)合仿真優(yōu)化設(shè)計,設(shè)定群體規(guī)模為20、遺傳代數(shù)40、交叉概率為0.9進(jìn)行優(yōu)化分析,仿真優(yōu)化設(shè)計模型如圖5所示。

      3.5 優(yōu)化結(jié)果分析

      經(jīng)過迭代優(yōu)化計算后可獲得操縱穩(wěn)定性與平順性的放大因子的最優(yōu)解,再通過放大因子最優(yōu)解計算出彈簧剛度、減振器阻尼系數(shù)、穩(wěn)定桿直徑和扭轉(zhuǎn)梁扭桿直徑的最優(yōu)解,目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果見表2,設(shè)計變量結(jié)果見表3。

      由表2的優(yōu)化結(jié)果可以看出,操縱穩(wěn)定性指標(biāo)中的車身側(cè)傾度、側(cè)向加速度響應(yīng)時間、轉(zhuǎn)向回正穩(wěn)定時間和平順性指標(biāo)中的前排和后排的最大加速度、前排和后排的總加權(quán)加速度均方根都超出了設(shè)計范圍,經(jīng)過多目標(biāo)優(yōu)化后,該車的操縱穩(wěn)定性與平順性均得到了較大提升,滿足了設(shè)計要求。

      4 試驗驗證

      為驗證本方法的可行性,按優(yōu)化前和優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行實車試驗驗證。

      4.1 試驗方法

      根據(jù)《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法》(GB/T 6323—2014)汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法、《汽車平順性試驗方法》(GB/T 4970—2009)和《汽車直線制動試驗方法》(企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))及《汽車加速試驗方法》(企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的要求進(jìn)行測試,試驗項目表4,試驗儀器見表5。

      4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

      經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)計算處理可獲得操縱穩(wěn)定性與平順性的性能指標(biāo),試驗結(jié)果見表6。仿真與試驗結(jié)果相對誤差見表7。

      由表7的仿真與試驗結(jié)果相對誤差可以看出,仿真與試驗結(jié)果基本吻合。其中操縱穩(wěn)定性性能指標(biāo)相對誤差在10%以內(nèi),平順性性能指標(biāo)相對誤差最大為24%,其原因可能是仿真所用的隨機路面與實際路面存在差異導(dǎo)致,由于優(yōu)化前與優(yōu)化后的相對誤差數(shù)據(jù)大小及趨勢基本一致,所以認(rèn)為仿真效果較好。

      5 結(jié)論

      本研究基于Isight平臺集成Adams/Car和Matlab進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化仿真分析,并經(jīng)過實車試驗驗證了該方法的可行性,有效地解決了汽車操縱穩(wěn)定性與平順性難以平衡的問題,通過優(yōu)化使得二者性能得到了較大提升,大大降低了底盤性能的開發(fā)周期與成本,提升了產(chǎn)品的競爭力。

      6 參考文獻(xiàn)

      [1]韋宏法.某乘用車行駛平順性研究[D].長沙:湖南大學(xué),2019.

      [2]GB/T 4970—2009,汽車平順性試驗方法[S].

      [3]陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008:194.

      [4]GB/T7031—2005,機械振動道路路面譜測量數(shù)據(jù)報告[S].

      [5]于景飛.汽車平順性仿真中路面文件生成方法[J].交通科技與經(jīng)濟,2010,12(6):107-109.

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