優化設計在汽車行業的應用*

郝悅 夏奎 段云嬌 馬洋洋

（長安大學）

優化設計應用了最優化相關理論和計算機科學算法與基礎知識等，是工程設計當中一種非常重要的設計方法。為了能夠提高設計效率并且改善設計質量，應合理利用優化設計的方法和理論，從而能夠科學地比較各種設計方案，從中選擇出綜合性最好的設計方案。優化設計應用到汽車產品上會帶來很大的經濟和社會效益，并減少生產成本。前人對此已經利用CAD和CAE等軟件及有限元和模態分析等方法得到了很多的研究成果，其中包括對于整車、發動機、底盤、車身及電器等大方面，也包括對轉向盤和后視鏡等小方面。但是總的來說，并沒有一個較為綜合的研究成果。因此，文章通過一個綜合的表述說明了優化設計在汽車行業的應用，有利于讀者全面地了解優化設計與汽車的相關性。

1 優化設計的介紹

優化設計是一門多學科交叉的學科，它包括對所要達到的優化目標建立數學模型，從中選擇設計變量和目標函數，同時整理出設計問題；也包括優化方法和計算程序，建立怎樣的數學模型及在建立數學模型后怎么計算。一般的優化設計是在目標函數給定的情況下，求解模型中的最優值。

2 優化設計在汽車行業的應用

2.1 汽車發動機的優化設計

目前，應用到發動機上的優化方法為有限元方法。采用有限元的方法可以對計算機輔助設計進行分析計算，能夠達到優化發動機整體與零部件的強度、減輕振動、降低噪聲及提高壽命與可靠性的目的。發動機優化設計中也采用流體力學的方法，主要是對發動機使用過程中的優化，包括發動機燃燒過程中如何形成混合氣以及采取怎樣的燃燒方式和燃燒數值等。如在發動機燃燒噴射這部分，依靠發達的電子技術對其進行管控，即控制噴油定時和次數，以便更加精確地調節燃油的供應，更加充分地利用發動機所產生的能量，還可把握氣缸內的綜合狀態和燃燒室內的燃油排布，以降低排放污染。在電噴汽油機進氣歧管處，合理地設計電噴汽油機進氣歧管并配以合適的配氣正時、氣門升程及排氣系統等，可以有效地利用進氣動態效應，提高發動機的充氣效率[1]。

2.2 汽車傳動系統的優化設計

對汽車傳動系統的優化，能夠使汽車的傳動性能、燃油經濟性及操縱穩定性得到很大程度的改善，提高汽車的舒適性。在對汽車的優化過程中，應該把汽車的運行工況（如空載或滿載）作為一個考慮因素，并考慮這些工況對汽車燃油經濟性和動力性的影響。1）良好的汽車動力性是通過汽車傳動系統的優化，即改變汽車傳動系傳動比來實現的[2]。2）通過增加汽車傳動系統中變速箱的擋位數，可以使汽車的燃油經濟性得到提高。增加了變速箱的擋位數，即增加了選用合適的變速箱擋位使發動機處于最佳經濟工作狀況的機會，從而提高了汽車的燃油經濟性。

2.3 汽車行駛系統的優化設計

汽車的行駛系統是由懸架、車架、車橋及車輪等部分組成，其主要影響汽車的操縱穩定性及行駛平順性。而懸架系統中的彈性特性和阻尼對汽車行駛平順性的影響很大。

具有線性彈性特性的汽車，在使用中其車身振動的固有頻率將隨裝載的多少而改變，尤其是后懸架載荷變化很大的貨車和大客車，這種變化將使汽車前后懸架的頻率相差過大，由此導致汽車車身的猛烈顛簸（縱向角振動），使汽車行駛平順性變壞[3]。為此，可采用一種變剛度的懸架，這種懸架是非線性彈性的，也就是說，隨著載荷的變化，懸架的剛度也發生變化。這樣可以使得車身在振動時保持固有頻率，進而使得汽車在行駛過程中保持良好的平順性。此外，可以采取適當的措施對懸架進行輕量化設計，同時對輕量化改進后的車架進行有限元強度、剛度及模態分析，以滿足行駛工況要求下對行駛系統各個部分的輕量化設計。整個系統的輕量化設計可以提高一定的燃油經濟性。

2.4 汽車轉向系統的優化設計

汽車的轉向系統決定了汽車的駕駛舒適性并影響著操縱穩定性。如轉向盤振動問題主要是由激勵源激勵，經由傳遞路徑傳遞到轉向盤引起的。其中產生較大振動的原因是轉向盤的固有頻率在與激勵頻率耦合時會產生共振，這直接影響駕駛員的駕駛舒適性。為避免轉向盤的怠速共振，要求轉向系統中轉向盤的固有頻率高于發動機的怠速激勵頻率[4]。具體優化設計方法有：通過減輕轉向盤和主駕駛安全氣囊的質量、減小轉向盤的轉動慣量及提高轉向盤骨架剛度來提高轉向盤的固有頻率；同時對轉向柱安裝支架進行加寬、對支架的高度進行減小并且對加強筋的數量進行增加等，也可以提高轉向盤的固有頻率。

2.5 汽車制動系統的優化設計

制動性能是衡量汽車安全性能的一項重要指標，因此，對汽車制動系統優化方面的研究也相對較多。

在汽車制動系統的優化過程中，應該了解制動工作特點及工作原理，著重分析氣壓制動系統，對其進行全面優化分析。汽車制動系統中有很多關鍵部分，其中雙腔制動閥是比較重要的控制部分，它可以將駕駛員的緊急制動信號從制動踏板信號轉換為制動壓力信號，然后傳遞到制動器主缸。雙腔制動閥的優化應包括：1）對制動閥進行優化；2）對活塞環等的彈簧剛度進行優化；3）對制動閥工作過程中的壓力循環間隙進行優化。制動閥在優化過程中應當保證管口的通氣性，進而使得汽車的整個制動性能得到充分的發揮。在對汽車制動系統進行優化時，必須提升氣壓管路的效用以增加汽車制動壓力，并確定制動壓力極值與制動速度之間的對應關系，從而建立數學模型，對制動效果進行模擬設定[5]。

3 結論

綜上所述，機械優化設計在汽車領域中有相當多的應用，文章從幾個主要方面進行了優化分析，包括對于發動機的燃燒過程的優化以減少排放、對傳動系擋位的設置以提高燃油經濟性、對行駛系輕量化的研究以減少燃油的消耗、對轉向系中轉向盤固有頻率的選擇以提高操縱穩定性及對制動系中制動閥的優化以提高安全性等。這些優化可保證汽車產品在擁有相同或更好性能的條件下，實現減輕產品質量、減小零部件體積及降低生產和使用過程中的成本的目的；同時節約了汽車設計者的大量時間，極大地提高了設計效率。隨著汽車行業的蓬勃發展，優化設計也會在汽車的更多方面得到應用，使汽車的價值得到不斷的提高。