利用Isight进行车辆操稳及平顺性的协同优化研究_广汽

[Abstract] The parameter optimization of the springs ，dampers and anti-roll bars of a car, for ride
comfort and handling, is investigated based on a cooperative simulation using multi-body models and multi-objective optimization tools. The results show that ride comfort and handling of the car are improved simultaneous ly, indicating that the cooperative optimization method is efficient to the multi-objective trade-offs in vehicle development. Key words : Suspension; Handling; Ride Comfort; Multi-Objective Optimization;
Study of Vehicle Handling and Ride Comfort Oriented Cooperative Optimization
Yang Rongshan, Zhou Xianjie, Li Qian
( GAC Automotive Engineering Institute, 510640 Guangzhou, China)
性仿真分析的有效方法[1 ，2] 。本文利用多体动力学 软件ADAMS/Car 分别建立前悬架、后悬架、转向 系、动力总成和轮胎等子系统模型，质量和转动惯 量参数则从CATIA 三维数模计算或试验得到，从 而建立了某轿车整车多体动力学模型（图1）。该 整车技术条件如表1。 建模过程中有如下假设： （ 1） 对于理想铰链，除转动铰、滑动铰外，皆忽略内部 摩擦及阻尼；（2）整车零部件中，除弹簧、橡胶 件、扭杆弹簧、轮胎等弹性元件外，其余均按刚体 考虑。
表 6 优化后的设计变量值 设计变量 前悬架弹簧刚度系数 前悬架减震器阻尼系数度（N mm/° ） 后横向稳定杆刚度（N mm/° ） 值 1.87 1.32 0.86 1.09 55348.65 14211.53
前言
操纵稳定性和行驶平顺性是汽车非常重要的 性能指标，而悬架系统对这两个性能的优劣有着 决定性影响，因此，如何设置悬架系统的弹性与 阻尼元件（弹簧、减震器等）的特性，以保证汽 车同时具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性一直 是汽车底盘开发中的重要课题。 国内外在车辆操纵稳定性和行驶平顺性方面 运用仿真手段进行优化已经开展了不少研究 [ 1 5 ]
车瞬态操纵过程中车辆侧向加速度与横摆角速度 之间的时间延迟；它通常也根据 ISO 3888 双移线 测试方法，由在固定车速 90km/h 下测得上述两个 信号的时滞互相关函数来确定（图 2） 。它影响司 机转向输入与车辆响应之间延迟的判断。
1.2 评价目标的确定 1.2.1 操纵稳定性评价目标 操纵稳定性有很多种评价方法，一般可分为 开环和闭环式两种 。 开环评价方法有稳态转向试 验（固定圆周转向和固定方向盘转角转向）和瞬 态转向试验(J 形转弯和鱼钩转弯等)。闭环试验考 虑驾驶员的反馈，模拟真实的操纵试验，如 ISO
瞬态侧倾增益 侧向加速度-方向盘转角延迟 侧向加速度-横摆角速度延迟 前座椅地板加速度均方根值
优化 方向 最小化 最小化 最小化 最小化
权重 因子 1.0 1.0 1.0 1.0
比例 因子 1.0 1.0 1.0 1.0
2.3 优化算法的选择 利 用 iSight FD 多 目 标 优 化 工 具 ， 采 用 NSGA-II(Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) 优化算法，设群体规模为 10、遗传代数 20、交叉
表 3 优化约束条件 下限
瞬态不足转向增益 瞬态侧倾增益 侧向加速度-方向盘转角延迟 侧向加速度-横摆角速度延迟
图 5 优化计算数据流程图
3. 优化结果
上限 0.36 7.5 0.1 0.16 1/s deg/g s s
0.28 -
1/s
经过反复迭代优化计算， 得到基于操稳性及行 [6] 。比较 因子 驶平顺性最优解集，即 Pareto 解集 （图 6） 1.0 Pareto 解集各个解，并平衡各目标最终选择“最优 （表 5） ，其对应得设计变量值如表 6。可以看 1.0 解”
概率 0.9 进行优化。 iSight FD 与 ADAMS 联合仿真 数来改变其大小（如图 3 所示） ，设计变量如表 2： 优化的工作流程图和数据流程图如图 4、图 5。
图 3 减震器特性曲线变化示例 表 2 优化设计变量 设计变量 前悬架弹簧刚度比例因子 前悬架减震器阻尼比例因子 后悬架弹簧刚度比例因子 前悬架减震器阻尼比例因子 下限 0.5 0.5 0.5 0.5 3000 初始值 1 1 1 1 31992.0 7721.4
。但由于汽车操纵稳定性与行驶平顺性是相互 耦合影响的，单纯基于某一项性能的优化往往会 导致另一项性能的降低，因此，单目标优化的方 法不利于对二者进行权衡比较。运用多体动力学 分析工具与多目标优化技术进行联合仿真，将操 纵稳定性与行驶平顺性的各指标综合进行平衡和 优化是解决上述问题的一个好的方法。
1 整车模型的建立及评价目标
车辆操稳及平顺性的协同优化研究 *
杨荣山 周贤杰 李倩
（广汽集团汽车工程研究院，广东省广州市，邮编：510640） 摘要: 文中利用车辆多体动力学模型与多目标优化工具,对悬架弹簧、 减震器及横向稳定杆特性进行基 于操纵稳定性与行驶平顺性的联合优化仿真， 仿真结果表明汽车的操稳性和行驶平顺性的各项性能指 标均得到了改善，说明多目标的协同优化方法对于汽车各种性能的平衡优化是一个十分有效的途径。 关键词: 悬架 操纵稳定性 平顺性 多目标优化 中图分类号： U463.33 文献标识码： A
aw 为加权加速度值， T 为采样时间， t 为时间。
2. 多目标优化计算的实现
优化就是要在一定的约束条件下得到目标函 数的最小（或最大）值，以达到一个满意的设计目 标，多目标优化的数学描述如下：
Ga y
ay
(2)
min F ( x) ( f1 ( x), f 2 ( x), , f k ( x))
- 219. [4] P.E. Uys , P.S. Els, M.J. Thoresson. measurem ent[J]. Criteria for handling
Journal of Terramechanics. 43 (2006) 43–67
5.52 deg/g
4.96 deg/g
[5] P.E. Uys , P.S. Els, M. Thoresson. Suspension settings for optimal ride com fort of off-road vehicles travelling on roads with different roughness and speeds[J]. Journal of Terramechanics 18(2006) 1–13 [6] JOA˜ O P. C. GONC¸ALVES and JORGE A. C. AMBRO´SIO. Road Vehicle Modeling Requirements for Optimization of Ride and
原文已于 1.1 整车模型的建立 2009 年 11 月发表于《汽车工程》
多体动力学已被证明是用于车辆操稳和平顺 《》 《》
图 1 整车多体动力学模型 表 1 整车技术条件 整车参数 轴荷 前轴荷 后轴荷 轴距 轮距 前 后 悬架 前 后 转向传动比 前后轮胎型号 设置 9668N 7516N 2720mm 1545mm 1535mm 麦弗逊式（带横向稳定杆） 麦弗逊烛式（带横向稳定杆） 47 mm / 360 ° 195/60 R15
权重 1.0 1.0
出，经过优化后，汽车的操纵稳定性和行驶平顺性 的各项指标同时得到了有效的提高。
表 4 优化目标函数
图 6 多目标 Pareto 解集 表 5 优化后的目标值 初始值 瞬态不足转向增益 瞬态侧倾增益 侧向加速度-方向盘转角延迟 侧向加速度-横摆角速度延迟 前座椅地板加速度均方根值 0.34 0.09 0.11 0.322 1/s s s g 优化值 0.35 0.09 0.1 0.308 1/s s s g
（4） （5）
a y ——侧向加速度； ——侧倾角。
侧向加速度 - 方向盘转角时间延迟（ Lateral
当 g i ( x ) 0, i 1,2,, m, x
acceleration - Steering wheel angle time Delay） ：它是指在汽车瞬态操纵过程中车辆侧向
这里的 f i (x), gi (x)均是设计变量 x 的函数。fi (x) 是目标函数, gi(x)为约束条件, Ω 为设计空间。 在大多数情况下，各个目标是相互冲突的，某
个目标的改善可能引起其他目标性能的降低，即 同时使多个目标均达到最优解一般是不可能的。 解决多目标优化问题的最终目的只能是在各个目 标之间进行协调权衡和折中处理，使各目标函数 尽可能达到最优。 2.1 设计变量的选取 在本次研究中，为了使整车达到较好的操稳 性与平顺性，以前后悬架的弹簧刚度，减震器阻 尼特性和横向稳定杆刚度为设计变量（假设弹簧 和减震器左右是对称的） 。为了便于仿真计算，将 弹簧刚度和减震器特性分别乘以一个比例因子系
图 2 互相关函数的时间延迟
[3]
3888 双移线方法。 本次研究中采用典型的 90km/h 1.2.2 行驶平顺性评价目标 下的双移线（ISO 3888）来评价汽车的操稳性能。 根据文献[5]中汽车平顺性的随机输入行驶试 主要指标如下[4]： 验方法, 运用所建立的不平路面（比利时路面）进 瞬态不足转向增益（Transient Understeer 行整车的平顺性虚拟仿真分析， 按照舒适性评价标 Gain）：它是指在汽车瞬态操纵过程中的方向盘 准 ISO2631 - 1 :1997 ( E) 中规定的方法, 取一定车 转角变化与车辆横摆角速度的比值。通常情况下， 速下（60km/h）进行仿真分析, 计算前座椅地板的 它影响正常驾驶时的方向盘所需的转动量，还用 加速度均方根值，用于评价汽车行驶的平顺性。 来评价转向输入与车辆响应之间延迟的情况。