商用車駕駛室懸置系統優化設計研究

曹文超

摘要：隨著目前對商用車品質的要求越來越高，商用車的平順性問題越發受到關注。虛擬樣機技術的發展對汽車性能的研究和開發起到了越來越重要的作用。駕駛室的懸置系統是影響平順性的重要方面，而通過對駕駛室的懸置參數優化匹配可以達到提高商用車平順性和舒適性的目的。基于此，本文主要對商用車駕駛室懸置系統優化設計進行分析探討。

關鍵詞：商用車駕駛室；懸置系統；優化設計

前言

目前商用車駕駛室懸置形式主要有兩種———半浮式懸置和全浮式懸置。商用車一般行駛在路況較差的路面上，司機駕駛時間較長，容易導致疲勞，這樣會影響到駕駛的安全性；因此商用車的駕駛舒適性問題逐漸引起了人們的關注。

1、整車模型與路面的建立和驗證

1.1整車模型與路面的的建立

根據某款商用車拓撲關系及企業提供的主要參數，在ADAMS/Car中將半掛牽引車劃分為駕駛室系統、動力總成、前懸架系統、后懸架系統、貨箱、轉向系統、制動系統和輪胎等子系統。依次對每個子系統進行建模，通過通訊器將各子系統進行裝配，最后得到的半掛牽引車虛擬樣機模型。根據《機械振動-道路路面譜測量數據報告》（GB7031—2005），推薦路面功率譜密度為

Gd（n）=Gd（n0）（n/n0）-w

式中：n為空間頻率（m-1）；n0=0.1m-1為參考空間頻率；Gd（n0）為參考空間頻率n0下的路面功率譜密度，即路面不平度系數；w為頻率指數，決定了路面功率譜密度的頻率結構。

1.2整車模型驗證

按照《汽車平順性試驗方法》（GB/T4970—2009），樣車在滿載情況下分別以40，50，60，70，80km/h的車速在性能路面勻速行駛一段距離，并采集座椅椅墊上方、座椅靠背、腳背地板上的3個方向的振動，按照隨機輸入行駛評價指標計算得到綜合加權加速度均方根值。在ADAMS/Car中，對應地采集滿載整車模型在B級路面上分別在40，50，60，70，80km/h速度下行駛的振動數據，計算得到仿真綜合加權加速度均方根值。

2、商用車駕駛室懸置系統

2.1商用車駕駛室懸置振動系統

考慮整車模型與優化算法耦合時優化仿真迭代時間長、效率低的特點，本文在整車模型的基礎上單獨調出駕駛室懸置系統模型進行優化匹配。此商用車的駕駛室采用全浮式駕駛室，在懸置4點處采集加速度信號作為激勵信號。

駕駛室振動問題比較復雜，需要根據具體的研究問題簡化振動系統，使之能夠反映駕駛室振動特性。首先建立駕駛室懸置系統。視駕駛室主要部件為剛體。實車中存在大量的連接襯套，這些襯套都是非線性材料的橡膠襯套，在建模時需要對橡膠襯套進行線性處理。

2.2建立駕駛室多體動力學模型

通過駕駛室懸置振動系統的分析，需要在ADAMS中建立駕駛室的動力學模型。在ADAMS中對駕駛室懸置系統進行參數化建模，模型包括駕駛室前懸置、后懸置、座椅、駕駛員等。部件之間通過線性襯套連接。

3、駕駛室懸置系統多目標優化

3.1多島遺傳算法（MIGA）

遺傳算法（geneticalgorithm）是一類基于生物界的適者生存的進化規律演化而來的隨機化搜索方法。選擇算子、交叉算子、變異算子是遺傳算法的主要3個進化算子。在遺傳算法在應用過程中容易產生早熟現象，將嚴重地影響遺傳算法的應用效果。

本文采用島嶼模型進行子群體之間信息的偽并行算法（即多島遺傳算法）。它有別于傳統遺傳算法，把種群分為若干個子種群，這些子種群被稱為“島嶼”。在每個“島嶼”上按照傳統遺傳算法進行獨立的選擇、交叉、變異。定期在各個島嶼上隨機選擇一些個體“遷移”到別的“島嶼”上，通過遷移周期和遷移率這2個參數來控制整個遷移過程。通過多島遺傳算法的“島嶼”與“遷移”策略的控制，可加強全局搜索能力，避免局部最優。

3.2多集成系統優化

本文基于Isight平臺，集成軟件ADAMS、Matlab及多島遺傳算法，通過優化計算在三者之間進行數據交互，得到最優解集。

3.3優化數學模型的建立

由于影響駕駛室隔振因素很多，本文取主要影響因子作為試驗因子。在此選擇駕駛室前懸置系統的剛度與阻尼、駕駛室后懸置系統的垂向橫向減震器剛度與阻尼，以及橫向垂向減震器上點位置坐標共8個設計變量。駕駛室懸置系統的約束條件為前后懸置的動擾度。參照企業試驗車輛駕駛室懸置系統技術指標，將動撓度設為小于50mm。

采用駕駛室綜合加權加速度均方根值以及座椅俯仰角和座椅側傾角的角加速度均方根值作為整車行駛平順性優化目標，并考慮后懸置橫向和垂向減振器之間夾角對駕駛室隔振的影響。其中夾角大小通過后懸置減振器的位置坐標來控制。

3.3.1模型參數設計

通過駕駛室懸置系統數學模型確定設計變量時，應根據企業生產能力、保證模型達到靜平衡以及懸置設計的基本原則確定設計變量的比例范圍，如表1所示。

多島遺傳算法通過控制遷移率和遷移周期兩個變量保證種群的多樣性，以此提高全局收斂性。遷移率是指島上種群有多大的概率進行遷移。遷移周期是指被選中的個體需要多久將遷往到其他島嶼。遷移率和遷移周期分別設定為0.01和5。

3.3.2目標比例因子的選取

在對駕駛室懸置系統進行多目標優化時，需要考慮目標比例因子的選取。在ISIGHT下進行多目標優化時會將所有目標取其加權和作為ISIGHT總的目標函數Objective：Objective=Sum（WF*Xi/SF）式中：WF為權重因子；SF為比例因子；Xi為目標值。

當多目標在不同數量級時，會導致其中某一目標起的作用很小，甚至可以忽略。要想使用ISGHT恰當地求解多目標優化問題，就必須定義合適的權重與比例因子。目標值比例因子設置如表1所示。

3.3.3后懸置減振器夾角對駕駛室隔振的優化分析

通過改變駕駛室后懸置水平和垂向減震器上點的橫坐標與縱坐標的位置改變水平和垂向夾角。隨著后懸置之間的夾角越來越大，綜合總加權加速度均方根值的分布也越來越集中，并且越來越小，可近似認為后懸置水平和垂向之間的夾角和駕駛室加權加速度均方根值成反比的關系。當后懸置減振器夾角達到70°～80°時，綜合總加權加速度基本趨于最小值，并趨于收斂。

4、結語

考慮到多目標之間的矛盾性，根據權重系數與比例系數對駕駛室懸置系統進行決策優化分析。結果表明：俯仰特性幅值平均下降22.3%；側傾特性幅值平均下降25.5%；綜合加權加速度均方根值平均下降10.7%。駕駛室懸置系統的性能得到了很好的提高，提高了商用車的舒適性，具有一定的工程應用參考價值。

參考文獻：

[1]李鵬飛，馬力，何天明，等.商用車駕駛室懸置隔振仿真研究[J].汽車工程，2005，（6）：740-743.

[2]于昌陽，馬力.駕駛室懸置隔振改進設計中DOE技術的研究應用[J]機械研究與應用，2006，（2）：40-41.