一种新的整车悬架系统多目标优化方法外文翻译资料

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一种新的整车悬架系统多目标优化方法

Jing Yuen Tey , Rahizar Ramli and Ahmad Saifizul Abdullah

摘要

传统的基于平顺性和操纵稳定性的车辆悬架优化的方法要求对多性能目标进行分解，然后进行冗长的迭代过程。悬架调校是一个耗时的过程，通常需要对竞争对手的车辆进行基准测试，以通过实验技术来确定所需车辆 的性能指标。由于每辆车都有自己独特的车辆设置，因此难以从基准车辆中获得最佳目标。本文提出了一种新的方法来简化这一过程并大大减少开发过程。这些设计目标与悬架封装尺寸作为设计约束，被设计成多目标优化问题。这是为了在设计的早期阶段产生优化车辆的Pareto前沿。通过使用多目标优化工作流程，这些目标被最小化，这涉及采样技术以及基于规则模型的分布式算法的多目标估计，以通过软件环优化过程解决设计参数超过100维空间的问题。与传统方法相比，该方法在优化基于平顺性和操纵稳定性的全车辆悬架设计方面更有前景。

关键词：多目标优化；被动悬架；悬架调校；悬架优化

1. 序言

在汽车行业中，平顺性和操纵稳定性是车辆质量的重要动态特征。平顺性衡量乘客在车辆行驶时感受到的舒适度，主要包括垂直加速度，侧倾运动，俯仰运动和横摆运动。相反，操纵稳定性测量车辆转弯时，保持其稳定性的同时对操纵的响应。但是，这两个要求是相互矛盾的。较软的悬架能提供更好的平顺性，从而导致操纵稳定性差，并且需要较大的悬架工作空间（SWS）。另一方面，较硬的悬架在转弯时提供了良好的操纵性和稳定性，但是平顺性差。此外，这些目标必须进行优化，以适应有限的悬架设计空间。这些复杂的问题一般被简化为目标导向问题，通过分析基准车辆和过去的经验来确定悬架设计性能指标（图1）。接下来是优化过程的多个阶段，直到达到指定的设计目标。但是，这种方法耗时而且有缺点。对悬架系统设计变更的探索仅限于预定义的性能目标，更重要的是，这些性能指标可能无法通过现有悬架系统实现，因为每种悬架系统在悬架封装中都有其自身的运动性能和局限性。

悬架调校需要有反复试验的基础，正如Olley^[1]提议的那样采用经验法则进行悬架设计，而其他人则像Barak^[2]建议的，根据以往的经验选择合适的数字。这些由Olley和Barak定义的设定或标准通常被称为被动悬架系统的设计和调整。但是，这些设定仅作为指导，将其转换为悬架的确切设计很困难。主要原因在于车辆的动力学是非线性的，涉及大量的设计参数。后期Lee等人通过设计灵敏度分析确定关键参数，基于梯度优化对其耦合来解决悬架设计问题。^[3] 基于梯度的优化方法在解决各种类型的被动悬架问题中获得了普及。这涉及有限的设计变量，并且仅限于单目标问题。^[4-9]

图1 悬架设计周期

在基于梯度的方法中，将加权的多个目标相加成为单个目标，来制定最小化。^[10] 通常情况下，每个目标所需的最佳加权是未知的，很难为每个目标确定合适的值，或确定哪些权重组合可以给出最佳解决方案，这些方法适用于少量的设计变量。然而，随着设计变量的数量与冲突设计目标的数量增加，这种方法变得效率低下。在解决含有大量设计变量的冲突多目标问题方面，演化算法已获得普及。^[11,12] 然而，研究领域往往侧重于特定的方面，无论是平顺性还是操纵稳定性。^[11-15] 因此，本文提出了一种新的方法来解决设计要求相互矛盾，且含有大量设计变量的问题。本文采用基于规则模型的多目标估计分布算法（RM-MEDA）解决这个问题，以产生可实现的一组Pareto前沿，该解决方案是平顺性与操纵稳定性之间的折衷。

2.乘坐舒适标准

平顺性可以定义为在不规则路面上行驶时人类乘坐的主观感受。但是，主观感觉可能会有所不同，因此需要一些测量技术来客观量化舒适度。因此，标准ISO 2631：1997^[16]被用于测量车辆中乘客的平顺性。ISO 2631：1997包含有关人员可接受振动限制（表1）和测量方法的详细建议。计算加权加速度均方根值的频率分析是该标准中更为明确的方法之一。平顺性是通过模拟车辆在随机路面道路上行驶来测量的，在随机道路模拟中，车辆以80km / h的速度行驶在标准ISO 8608：1995^[17]中的C级路面上，C级道路路面模拟了农村路面（假定为用于正常日常驾驶的轿车的最坏情况）。研究表明，这些模拟条件下的测量与悬架设计参数有很好的相关性，可以最大限度地减少改善平顺性的目标函数。^[18-20]为了达到最佳舒适度标准，悬架动行程应较大，但是，悬架工作空间总是受到悬架封装的限制。因此，作为优化过程的一部分，最小化车辆前后悬架动行程至关重要。

表1 根据ISO 2631-1:1997的人体舒适主观感受

除了ISO 2631：1997定义的平顺性标准之外，还有其他重要的基于车辆特性的重要平顺性标准。在Olley^[1]标准中，前悬架应比后悬架的行驶速率低30%，俯仰频率和垂向跳动频率应该接近，并且这两个频率都不应该大于1.3 Hz。此外，悬架设计还有一些奇妙的数字，这些数字也用于定义车辆特性来获得良好的平顺性，这是Barak^[2] 提出的基于工程师经验的实证结果。即使是今天的现代汽车，这些指导方针也被认为是有效的经验法则。因此，Olley标准和Barak标准都被用于优化问题公式中，来优化车辆悬架系统。车辆的俯仰频率和垂向跳动频率可以通过半车辆的数学模型来计算，并由下式给出：

(1)

(2)

动力指数= (3)

其中：

耦合系数

其中I_y = m_sK²，K_f是前弹簧刚度，K_r是后弹簧刚度，l_f是从前轴到重心（CoG）的距离，l_r是从后轴到重心的距离，K是回转半径，I_y是惯性矩。

图2 半车模型

图2中的半车模型是一个无阻尼的二自由度模型。它由两个主要振动模式组成，即俯仰运动和垂直垂向跳动。通过在重心上对系统的平衡力和力矩进行求和，得到表示两个固有频率的等式（1）和（2）。这两个方程具有共同的耦合系数，如果系统解耦（即耦合系数为零），俯仰运动和垂直垂向跳动是独立运动，但是这两种振动模式通常是耦合的。动力指数（3）是判断俯仰频率和垂向跳动频率是否相等的指标，当指标接近1时，它消除了车辆的外差效应。外差效应即，当两个相距很近的频率相互作用产生可以诱发晕动病的振动频率。因此，通过使用约束，这些参数有助于确保车辆不会在行驶中产生令人不适的振动。

3.操纵稳定性标准

操纵稳定性涉及车辆的主观评价和客观评价。主观评价是指驾驶员在操纵过程中对车辆响应的感受，而客观评价是指车辆的动态特性。它因人而异，使评估难以量化。许多研究已经采用各种方法来衡量主观感受，以确定主观测量与客观测量之间的关系。^{[16,20,22-24]}每种方法适用于不同的测量和机动测试情况。目前，没有一种通用的方法来处理车辆操纵性能的主观评价与客观评价之间的关系。然而，在优化过程中，可以采用各种方法作为客观测量函数，结果是相同的。^[22]脉冲转向机动（如ISO7401：2003^[25]中的侧向标准中给出的采用开环方法的瞬态响应）适用于评估操纵稳定性的质量。另外，转向输入的频率响应函数的测量很好的解释了主观测量和客观测量。^[21,26,27] Ash^[27]采用非线性相关分析来确定使用问卷获得的主观评价与车辆运动的数值测量之间的关系。分析表明，以下数值给出了良好的主观评价：横摆率的固有频率为1.7-2.1Hz；阻尼比约为0.7；侧向加速相位延迟1 Hz，小于﹣75°；静态横摆增益率，0.1-0.2。其他研究人员^[22,26]也提出客观测量横摆率的相位延迟角在0.2Hz（代表低速转向时的横摆响应）和0.6Hz（代表高速转向时的横摆响应）下的转向频率响应应该具有较小的相位延迟以允许更快的车辆响应。应该将谐振转向频率的横摆角速度响应增益G（f_r）与静态横摆角速度增益G（f₀）的比值保持在最小，使整个频率范围内横摆角速度增益的变化最小。这是为了获得更好的操纵性并改善驾驶稳定性。

4.车辆建模

车辆悬架采用多体动力学仿真软件包MSC.ADAMS/CAR进行建模，如图3和表2所示。该悬架模型是基于轿车现有的计算机辅助设计数据开发的。 车辆的前悬架是麦弗逊式支柱，后悬架是拖曳臂设计。所有有助于平顺性和操纵稳定性的设计变量都是确定的，大约有121个设计变量，包括悬架在x，y和z方向的设计硬点，衬套刚度，弹簧刚度（表3），减振器轮廓（表4）以及侧向稳定杆刚度。使用设计优化的实验结果验证车辆的运动学。^[28]每个的设计变量的设计区间是在现有设计的基础上定义的，考虑悬架封装的尺寸空间时以此作为参考。

表2 车辆数据

图3 MSC.ADAMS/Car中的整车装配

表3 弹簧规格

表4 减振器参数

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