一种汽车悬架系统的多目标优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种综合考虑汽车平顺性与操纵稳定性的悬架系统多目标优化设计方法。针对汽车悬架系统开发设计中行驶平顺性和操纵稳定性两个目标相互矛盾的问题，建立汽车悬架系统多目标优化模型。提出了基于遗传算法的悬架刚度、横向稳定杆刚度以及悬架阻尼参数的优化匹配方法，以平顺性评价指标车身加速度均方根值和对操纵稳定性影响很大的车身侧倾角最小为优化目标，以悬架偏频和不足转向增益等影响平顺性和操纵稳定性的性能指标为约束，在行驶平顺性和操纵稳定性方面有了较大的提高，汽车整体性能明显改善；有横向稳定杆的汽车表现出更好的稳定性与平顺性。
【专利说明】一种汽车悬架系统的多目标优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车结构优化领域，涉及一种汽车悬架系统的多目标优化方法。
【背景技术】
[0002] 汽车悬架参数的变化直接影响车辆的平顺性和操纵稳定性，两性能之间具有矛盾 关系，平顺性增加，一定程度上使操纵稳定性有降低趋势，反之亦然。汽车平顺性主要是保 持行驶过程中产生的振动和冲击对乘员舒适性的影响在一定界限之内，并保持货物完好。 汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转 向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶 的能力。汽车行驶平顺性和操纵稳定性是汽车非常重要的性能指标，悬架系统对这两个性 能有着决定性的影响。
[0003] 目前在关于汽车悬架系统的优化研究中，一般是通过adams等商业软件建立复杂 的虚拟仿真模型或在此基础上建立近似模型进行优化，容易产生较大的累积误差，造成计 算不准确；另外还有些将操纵稳定性或平顺性评价指标之一作为目标函数，另一性能指标 作为约束条件，这样得到的最优解或偏向平顺性，或偏向操纵稳定性，偏重无法确定。目前 还没有关于操纵稳定性与平顺性相结合的悬架系统数学建模优化方面的研究和专利。
[0004] 本发明根据车辆物理模型，利用汽车动力学基本理论建立车辆操纵稳定性与行驶 平顺性数学模型，充分考虑悬平顺性与操纵稳定性之间的关系，将两者的评价指标同时作 为目标函数，提出了一种操纵稳定性与行驶平顺性相结合的多目标优化设计方法，可得到 不同性能偏好下的悬架参数优化结果。设计者可根据优化结果按车辆的主要使用环境选择 不同悬架匹配参数，对于保障实际中车辆平顺性、稳定性及保证悬架整体性能具有重要工 程意义。
【发明内容】
[0005] 本发明考虑了汽车平顺性与操纵稳定性这两个对汽车质量评价十分重要的性能 指标。为解决两者对悬架系统参数要求存在一定矛盾的问题，在此提出了一种考虑行驶平 顺性和操纵稳定性的汽车悬架系统多目标优化方法。此方法具体步骤如下：
[0006] 步骤1 :建立汽车悬架系统的动力学模型；
[0007] 步骤2 :根据汽车动力学理论得出悬架系统的运动微分方程；
[0008] 步骤3 :求解步骤2中所建立的运动微分方程，建立目标函数，这里分别以车身加 速度均方根值最小和转向时最大车身侧倾角最小为目标；
[0009] 步骤4 :选取悬架弹簧刚度、横向稳定杆刚度及减振器阻尼作为优化设计变量，以 悬架偏频和不足转向增益等影响平顺性和操纵稳定性的性能指标为约束，从而建立一个多 目标优化模型；
[0010] 步骤5 :采用非支配排序遗传算法NSGA-II进行优化，得出一个pareto前沿面，根 据不同偏好选取最优妥协解。
[0011] 其中，步骤2中所建立的与平顺性相关振动微分方程为：
[0012] M/ < / ： KZ K Q
[0013] 式中：质量矩阵M为：
【权利要求】
1. 一种综合考虑行驶平顺性与操纵稳定性的汽车悬架系统多目标优化设计方法，用于 汽车悬架系统的结构优化设计，所述方法包括以下步骤： 步骤1 :建立汽车悬架系统的动力学模型； 步骤2 :根据汽车动力学理论得出悬架系统的运动微分方程； 步骤3 :求解步骤2中所建立的运动微分方程，建立目标函数，分别以车身加速度均方 根值最小和转向时最大车身侧倾角最小为目标； 步骤4 :选取悬架弹簧刚度、横向稳定杆刚度及减振器阻尼作为优化设计变量，以影响 平顺性和操纵稳定性的性能指标为约束，建立一个多目标优化模型； 步骤5 :采用非支配排序遗传算法NSGA-II进行优化，得出一个pareto前沿面，根据不 同偏好选取最优妥协解。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述运动微分方程包括与平顺性有关的振动微分 方程和与操纵稳定性有关的运动微分方程，该与平顺性有关的振动微分方程为： 式中：质量矩阵M为：
阻尼矩阵C为：
轮胎刚度矩阵Kt为：
激励向量Q = Iiq1 q2 q：3 qJT，z、、I;分别是位移、速度、加速度向量， Z = lzi Z2 Z3 Z4 Z5 0炉f，!^、叫分别为前、后轮胎质量，m5为车身质量，Ix、Iy分另U 为车身绕横轴和纵轴的转动惯量，ki、k2分别为前、后轮胎的垂直刚度，k5、k6分别为前、后悬 架弹簧的刚度，C5、C6分别为前、后悬架减振器的阻尼，d为左右车轮之间的轮距，a、b分别 为前、后轴到车身质心的水平距离。 该与操纵稳定性有关的运动微分方程为：
式中：V为汽车质心速度，β为汽车质心侧偏角，^为车身侧倾角，h为侧倾力臂，即悬 架上质心与侧倾中心高度差，m为整车质量，分别为前、后悬架总的侧倾角刚度， ?,/、Cw.分别为前、后悬架侧倾阻尼，Iz为整车横摆转动惯量，r为横摆角速度， Fyf为前轴 侧偏力，Fyr为后轴侧偏力，T为转向盘输入力矩，Is为转向盘转动惯量，Θ为转向盘转角， α为转向柱与Z轴夹角，i为转向系传动比，Dw为轮胎回正力臂，Iw为前轮绕主销转动惯量， S为前轮转角，Cw为转向阻力系数，1("为转向系对车身刚度。
3.根据权利要求2所述的方法，悬架的侧倾角刚度是指侧倾时单位车身转角下悬架系 统给车身总的弹性恢复力矩，对于汽车前、后轴来说，总的侧倾角刚度值由悬架弹簧角刚度 和横向稳定杆的角刚度两部分组成：
式中：为前悬架弹簧侧倾角刚度，'为前悬架横向稳定杆侧倾角刚度，'2为后 悬架弹簧侧倾角刚度，为后悬架横向稳定杆侧倾角刚度，横向稳定杆的刚度与其结构布 置及稳定杆直径相关。 对于非独立悬架，悬架弹簧侧倾角刚度可通过如下近似计算得到：
4. 根据权利要求2所述的方法，其中步骤3中所述建立目标函数是根据振动理论的微 分方程求解： 进行平顺性分析时，根据输入的路面不平度功率谱及由车辆悬挂系统参数求出的频率 响应函数，可以求出各振动响应的功率谱和标准差，用来分析振动系统参数对各物理量的 影响和评价平顺性，对振动微分方程两边进行傅立叶变换，可以求得振动系统的频率响应 函数Η(ω):
式中：ω为车身振动圆频率，矩阵Η(ω)中第i行第j列元素知表示第j个车轮处路 面输入到车辆系统第i个自由度的频率响应函数； 由系统频率响应特性以及路面不平度输入的功率谱密度矩阵可得各振动响应量的谱 密度，振动模型中第i个自由度响应点的位移响应自功率谱密度G2i和加速度功率谱密 为：
式中=Hi(Co)为频率响应矩阵Η(ω)第i行，表示共轭矩阵，Gq(CO)为四轮输入情 况下路面不平度功率谱矩阵，T表示矩阵的转置； 随机路面输入下的振动响应量取正、负的概率相同，均值近似为零，方差即等于均方 值，第i个自由度响应点的加速度均方根值为：
式中：ω2、Co1分别为频率的上、下限， 操纵稳定性数学模型不能导出直接确定各响应或评价指标的表达式，可采用龙格库塔 法对操纵稳定性的运动微分方程求解。
5. 根据权利要求4所述的方法，为改善车辆行驶平顺性，选取车身加速度均方根值最 小作为第一个优化目标；为改善汽车操纵稳定性，取汽车转向行驶时最大车身侧倾角最小 作为第二个目标函数，建立如下目标函数：
式中：Χ为优化设计向量，f\(X)、f2(X)分别为建立的两个目标函数，σ%为车身加速度 均方根值，为汽车转向行驶时车身侧倾角的最大值。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤4所述优化设计变量X为： 其中，k5、k6分别为前、后悬架弹簧的刚度，为前悬架横向稳定杆侧倾角刚度，^lr2 为后悬架弹簧侧倾角刚度，c5、C6分别为前、后悬架减振器的阻尼。
7. 根据权利要求6所述的方法，汽车悬架系统的约束条件有频率约束：根据隔振原理， nfI； < nf < η?Κ、ηΛ < K < nf/r^ < NK，nf、r^分别为前、后悬架偏频；质心侧偏角约 束：β < βκ;瞬态不足转向增益约束：汽车瞬态操纵过程中不足转向增益定义为车 身横摆角速度与前轮转角之比r/ δ，Ga彡4 = r/ δ彡Grii ;侧向加速度方向盘力矩梯度约 束：规定力输入下侧向加速度方向盘力矩梯度Τ% < Tp = T/ay < Tpk ;阻尼约束：悬架系统 阻尼比需满5
.，其中下标L表示左轮，R表示右轮。
8. 根据权利要求1-7之一所述的方法，建立优化模型如下： minF (X) = {?λ (X), f2 (X)} s. t. nfL < nf < nfR nrL < nr < nrE Nl < N = nf/nr < Ne β L β β R GrL 彡 Gr = r/ δ 彡 Grli TpL ^ Tp = T/ay ^ TpE
式中：F⑴为目标函数向量。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述影响平顺性和操纵稳定性的性能指标为悬架 偏频和不足转向增益。
【文档编号】B60G17/015GK104385873SQ201410493332
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】姜潮, 于盛, 赵旭光, 韩旭 申请人:湖南大学