商用车驾驶室悬置系统优化设计研究

曹文超

摘要：随着目前对商用车品质的要求越来越高，商用车的平顺性问题越发受到关注。虚拟样机技术的发展对汽车性能的研究和开发起到了越来越重要的作用。驾驶室的悬置系统是影响平顺性的重要方面，而通过对驾驶室的悬置参数优化匹配可以达到提高商用车平顺性和舒适性的目的。基于此，本文主要对商用车驾驶室悬置系统优化设计进行分析探讨。

关键词：商用车驾驶室；悬置系统；优化设计

前言

目前商用车驾驶室悬置形式主要有两种———半浮式悬置和全浮式悬置。商用车一般行驶在路况较差的路面上，司机驾驶时间较长，容易导致疲劳，这样会影响到驾驶的安全性；因此商用车的驾驶舒适性问题逐渐引起了人们的关注。

1、整车模型与路面的建立和验证

1.1整车模型与路面的的建立

根据某款商用车拓扑关系及企业提供的主要参数，在ADAMS/Car中将半挂牵引车划分为驾驶室系统、动力总成、前悬架系统、后悬架系统、货箱、转向系统、制动系统和轮胎等子系统。依次对每个子系统进行建模，通过通讯器将各子系统进行装配，最后得到的半挂牵引车虚拟样机模型。根据《机械振动-道路路面谱测量数据报告》（GB7031—2005），推荐路面功率谱密度为

Gd（n）=Gd（n0）（n/n0）-w

式中：n为空间频率（m-1）；n0=0.1m-1为参考空间频率；Gd（n0）为参考空间频率n0下的路面功率谱密度，即路面不平度系数；w为频率指数，决定了路面功率谱密度的频率结构。

1.2整车模型验证

按照《汽车平顺性试验方法》（GB/T4970—2009），样车在满载情况下分别以40，50，60，70，80km/h的车速在性能路面匀速行驶一段距离，并采集座椅椅垫上方、座椅靠背、脚背地板上的3个方向的振动，按照随机输入行驶评价指标计算得到综合加权加速度均方根值。在ADAMS/Car中，对应地采集满载整车模型在B级路面上分别在40，50，60，70，80km/h速度下行驶的振动数据，计算得到仿真综合加权加速度均方根值。

2、商用车驾驶室悬置系统

2.1商用车驾驶室悬置振动系统

考虑整车模型与优化算法耦合时优化仿真迭代时间长、效率低的特点，本文在整车模型的基础上单独调出驾驶室悬置系统模型进行优化匹配。此商用车的驾驶室采用全浮式驾驶室，在悬置4点处采集加速度信号作为激励信号。

驾驶室振动问题比较复杂，需要根据具体的研究问题简化振动系统，使之能够反映驾驶室振动特性。首先建立驾驶室悬置系统。视驾驶室主要部件为刚体。实车中存在大量的连接衬套，这些衬套都是非线性材料的橡胶衬套，在建模时需要对橡胶衬套进行线性处理。

2.2建立驾驶室多体动力学模型

通过驾驶室悬置振动系统的分析，需要在ADAMS中建立驾驶室的动力学模型。在ADAMS中对驾驶室悬置系统进行参数化建模，模型包括驾驶室前悬置、后悬置、座椅、驾驶员等。部件之间通过线性衬套连接。

3、驾驶室悬置系统多目标优化

3.1多岛遗传算法（MIGA）

遗传算法（geneticalgorithm）是一类基于生物界的适者生存的进化规律演化而来的随机化搜索方法。选择算子、交叉算子、变异算子是遗传算法的主要3个进化算子。在遗传算法在应用过程中容易产生早熟现象，将严重地影响遗传算法的应用效果。

本文采用岛屿模型进行子群体之间信息的伪并行算法（即多岛遗传算法）。它有别于传统遗传算法，把种群分为若干个子种群，这些子种群被称为“岛屿”。在每个“岛屿”上按照传统遗传算法进行独立的选择、交叉、变异。定期在各个岛屿上随机选择一些个体“迁移”到别的“岛屿”上，通过遷移周期和迁移率这2个参数来控制整个迁移过程。通过多岛遗传算法的“岛屿”与“迁移”策略的控制，可加强全局搜索能力，避免局部最优。

3.2多集成系统优化

本文基于Isight平台，集成软件ADAMS、Matlab及多岛遗传算法，通过优化计算在三者之间进行数据交互，得到最优解集。

3.3优化数学模型的建立

由于影响驾驶室隔振因素很多，本文取主要影响因子作为试验因子。在此选择驾驶室前悬置系统的刚度与阻尼、驾驶室后悬置系统的垂向横向减震器刚度与阻尼，以及横向垂向减震器上点位置坐标共8个设计变量。驾驶室悬置系统的约束条件为前后悬置的动扰度。参照企业试验车辆驾驶室悬置系统技术指标，将动挠度设为小于50mm。

采用驾驶室综合加权加速度均方根值以及座椅俯仰角和座椅侧倾角的角加速度均方根值作为整车行驶平顺性优化目标，并考虑后悬置横向和垂向减振器之间夹角对驾驶室隔振的影响。其中夹角大小通过后悬置减振器的位置坐标来控制。

3.3.1模型参数设计

通过驾驶室悬置系统数学模型确定设计变量时，应根据企业生产能力、保证模型达到静平衡以及悬置设计的基本原则确定设计变量的比例范围，如表1所示。

多岛遗传算法通过控制迁移率和迁移周期两个变量保证种群的多样性，以此提高全局收敛性。迁移率是指岛上种群有多大的概率进行迁移。迁移周期是指被选中的个体需要多久将迁往到其他岛屿。迁移率和迁移周期分别设定为0.01和5。

3.3.2目标比例因子的选取

在对驾驶室悬置系统进行多目标优化时，需要考虑目标比例因子的选取。在ISIGHT下进行多目标优化时会将所有目标取其加权和作为ISIGHT总的目标函数Objective：Objective=Sum（WF*Xi/SF）式中：WF为权重因子；SF为比例因子；Xi为目标值。

当多目标在不同数量级时，会导致其中某一目标起的作用很小，甚至可以忽略。要想使用ISGHT恰当地求解多目标优化问题，就必须定义合适的权重与比例因子。目标值比例因子设置如表1所示。

3.3.3后悬置减振器夹角对驾驶室隔振的优化分析

通过改变驾驶室后悬置水平和垂向减震器上点的横坐标与纵坐标的位置改变水平和垂向夹角。随着后悬置之间的夹角越来越大，综合总加权加速度均方根值的分布也越来越集中，并且越来越小，可近似认为后悬置水平和垂向之间的夹角和驾驶室加权加速度均方根值成反比的关系。当后悬置减振器夹角达到70°～80°时，综合总加权加速度基本趋于最小值，并趋于收敛。

4、结语

考虑到多目标之间的矛盾性，根据权重系数与比例系数对驾驶室悬置系统进行决策优化分析。结果表明：俯仰特性幅值平均下降22.3%；侧倾特性幅值平均下降25.5%；综合加权加速度均方根值平均下降10.7%。驾驶室悬置系统的性能得到了很好的提高，提高了商用车的舒适性，具有一定的工程应用参考价值。

参考文献：

[1]李鹏飞，马力，何天明，等.商用车驾驶室悬置隔振仿真研究[J].汽车工程，2005，（6）：740-743.

[2]于昌阳，马力.驾驶室悬置隔振改进设计中DOE技术的研究应用[J]机械研究与应用，2006，（2）：40-41.