基于多目標優化的氣彈簧設計方法

劉海龍，單鵬飛，蔡立陽，張曉晶，王思敏，牛銳

摘 要：由于具有優良的力學特性，氣彈簧已廣泛應用于汽車的開閉件中。文章基于商用車高架箱箱蓋開閉過程中幾何及力學關系建立了多目標優化模型。該模型以氣彈簧固定點位置及最小伸展力作為設計變量，以影響操作舒適性的箱蓋開啟力、關閉力、開啟臨界角及影響成本的氣彈簧行程的計算值與理想值的偏差率作為優化目標，通過matlab中多目標優化算法對原布置方案進行優化。結果表明，該模型可在降低最小伸展力及行程的前提下，即降低成本的情況下，滿足相關人機工程要求，提升車輛系統人機舒適性。

關鍵詞：氣彈簧;優化布置;多目標優化;人機工程

中圖分類號：U463.33+4.2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-75-04

Design Method of Gas Spring Based on Multi-objective Optimization

Liu Hailong， Shan Pengfei， Cai Liyang， Zhang Xiaojing， Wang Simin， Niu Rui

（ FAW Jiefang Commercial Vehicle Development Institute， Jilin Changchun 130062 ）

Abstract： Gas springs are widely used in opening and closing devices of automotive， due to their excellent mechanical properties. Based on the geometrical and mechanical relationship of the process of covers opening and closing， a multi- objective optimization model has been developed. The layout optimization has been reached through multi-objective optimization algorithm based on matlab， with positions of springs fixed points and minimum extension force as variables， and the deviation rate of operation forces， opening critical angle along with stroke from their ideal values as objectives. The results of the model match well with the demand of ergonomics， which can improve the comfort of operation.

Keywords： Gas spring; Layout optimization; Multi-Objective optimization; Ergonomics

CLC NO.： U463.33+4.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-75-04

前言

由于具有舉升力變化小、性能穩定等特點，氣彈簧已廣泛應用于汽車、家具及工程機械行業。氣彈簧的選型及布置，關系到氣彈簧的成本及對操作舒適性有直接影響的開閉力及開啟臨界角等參數。對于氣彈簧的設計方法，已有一些學者進行了研究分析。溫浩[1]等人對方艙艙門上的氣彈簧運動狀態進行了分析和研究，提出了氣彈簧選型及布置方法，即最小舉升力法。姚芳[2]等針對氣彈簧應用于拖拉機前機罩上的設計問題，通過實例介紹了“兩圓法”的應用方法。張立瀟[3]通過Python語言設計交互式程序窗口，并利用三角形余弦定理，計算出最小支撐力，同時得出氣彈簧固定點的布置位置。馬東輝[4]從力矩平衡和能量平衡角度出發，得出氣彈簧優化布置與校核的方程式，提出氣彈簧的布置方法，同時對其是否滿足人機要求進行校核。劉國梁[5]詳細論述了氣彈簧安裝點的位置、尾門最大開啟角度以及氣彈簧有效工作行程的設定，并對氣彈簧最小支撐力計算和尾門開閉操作力計算進行了深入的研究分析，為以后氣彈簧在新車型上正向布置設計提供借鑒。汪祥[6]等在建立汽車尾門氣彈簧系統數學模型的基礎上，通過遺傳算法，并利用集成優化設計方法，在滿足人機條件的前提下，得出最優的氣彈簧設計參數，使得氣彈簧支撐力最小。

由于氣彈簧選型及布置過程中涉及的變量及目標值較多，以上方法并不能得出令人滿意的綜合結果，尤其是對人機工程因素考慮不足。本文將以氣彈簧在高架箱箱蓋的布置為背景，綜合考慮方案成本及人機工程舒適性，利用多目標優化算法對原設計方案進行優化，最終得出最佳的氣彈簧設計方案。

1 氣彈簧力學特性

氣彈簧一般由缸筒、活塞及活塞桿、密封套及接頭組成，并在密封的缸筒內充入一定壓力的氮氣或惰性氣體。在活塞上開有小孔，使得活塞兩端的氣體可流通，壓力近乎相等。但由于活塞桿的存在，使得兩腔橫截面積不同，進而產生壓力差，如圖1所示。

圖1 ?氣彈簧示意圖

氣彈簧伸展或壓縮過程中，任意位置時活塞兩側壓力差值即氣彈簧缸筒內氣體對活塞桿產生的作用力F為：

（1）

式中：d為活塞桿直徑;P為腔內氣體壓力。

在氣彈簧壓縮和伸展過程中，缸筒內氮氣體積發生變化。在環境溫度不變的情況下，氣彈簧工作過程可以看作等溫變化過程，遵循波義耳定律：

（2）

式中：V為氣體體積，大小為氣彈簧腔內體積;n為氣體物質的量;R為常數;T為氣體熱力學溫度。

氣體體積V可由下式計算得出：

（3）

其中，V0為氣彈簧處于原始位置時，即氣彈簧處于自由狀態時腔內的氣體體積。h為活塞桿相對于原始位置的變化距離。

結合式（1），（2）及（3）則有：

（4）

氣彈簧在伸展和壓縮過程中的力學特性如圖2所示。在伸展過程，伸展力由最大伸展力F2線性過渡到最小伸展力F1;在壓縮過程中，壓縮力由最小壓縮力F3過渡到最大壓縮力F4。

圖2 ?氣彈簧力學特性

2 建立多目標優化模型

2.1 多目標優化函數簡介

本文采用matlab中fgoalattain函數進行多目標優化，其原理如下：

（5）

該函數在matlab中調用形式如下：

（6）

式中：x為設計變量，fun為優化函數，接受設計變量x并返回對應的目標函數值。x0為初始設計變量，goal為初始目標值;weight為權重，當權重weight為正時，fgoalattain函數將嘗試使目標小于目標值，當其為負，優化函數將嘗試使目標大于目標值。A為線性不等式約束的矩陣，b為線性不等式約束的向量;Aeq為線性等式約束的矩陣;beq為線性等式約束的向量;lb為設計變量下邊界;ub為設計變量上邊界。

2.2 原方案簡介及自變量選取

圖3 ?氣彈簧布置示意圖

根據競品車型對標及相關設計經驗，原氣彈簧布置的相關參數如圖3所示。O點為箱蓋鉸鏈旋轉中心;A點為位于高架箱本體的氣彈簧活塞桿一側的固定點;C點為過A點水平線與過O點鉛垂線交點;B點位于箱蓋上的氣彈簧腔體一側的固定點;D點為在箱蓋處于水平位置時，過B點的鉛垂線與過O點的水平線的交點。

氣彈簧的布置位置由OC、AC、OD、BD的長度確定，故選取其作為設計變量，此外，最小伸展力F1是氣彈簧主要選型參數，也將其作為設計變量，如表1所示。

表1 ?設計變量及初始值

2.3 優化目標的選取

開啟力是影響操作舒適性的重要參數。適中的開啟力是氣撐桿布置成敗的重要評價指標。同時，開啟力與開閉件自鎖性能有直接關聯。一般來說，箱蓋應有一定自鎖力，以防止箱蓋鎖損壞的情況下，箱蓋自行開啟。

關閉力對操作舒適性也有較大影響。關閉力太小，則箱蓋打開狀態下的平衡性能弱，車行駛在顛簸的路面，箱蓋可能自行關閉。關閉力太大則降低操作舒適性。

開啟臨界角是指開啟力為0處，箱蓋的開啟角度，開啟角小于該角度，需要使用者提供開啟力;開啟角大于該角度后，箱蓋可自行打開。該角度對人機舒適性也有較大影響。

氣彈簧的行程與氣彈簧價格呈正相關，且行程越大，則氣彈簧長度越長，降低外觀品質。

以上4個參數均為氣彈簧布置時需重點考慮的對象，其理想值可根據經驗及對標分析得出，見表2。

表2 ?操作力、開啟力臨界角及行程理想值

表3 ?目標值goal及權重weight的選取

為使布置方案的開啟力、關閉力、開啟臨界角接近理想值，可令實際計算值與理想值的偏差率的絕對值作為目標值goal，并令權重weight為正，則多目標優化函數將使得偏差率的絕對值盡可能小，進而使得計算值盡可能接近理想值。對于行程，使計算值與理想值上限的偏差率的作為目標值goal，并令權重weight為負，則多目標優化函數將使得該偏差率盡可能大，進而使得行程的計算值盡可能小于理想值上限，如表3所示。

式中：z1為開啟力計算值;z2為關閉力計算值;z3為臨界角計算值;z4為氣彈簧行程計算值。

2.4 目標函數的建立

圖3可進一步簡化為圖4形式，以便建立相關幾何關系。

圖4 ?箱蓋開閉過程示意圖

箱蓋開閉過程中，氣彈簧力臂l為：

（7）

根據相關幾何關系，可建立氣彈簧力臂l與設計變量及箱蓋開啟角度的函數關系。

根據圖2中幾何關系，可得氣彈簧在箱蓋開啟過程中的力值Fk。

（8）

式中：f為連接件長度;C為常數;S為氣彈簧行程。

在箱蓋開啟角度為0、臨界角及最大值90度時，根據力矩平衡有：

（9）

（10）

（11）

式中：L為箱蓋長度;l1為在開啟角度為0時，氣彈簧繞O點旋轉的力臂，可根據式（7）及幾何關系得出;G為箱蓋重力;l2為開啟角度為90°時的氣彈簧力臂，可根據式（7）及幾何關系得出;F5為開啟角度為臨界角時氣彈簧的作用力，可根據式（8）及幾何關系得出;l3為開啟角度為臨界角時，氣彈簧繞O點旋轉的力臂，可根據式（7）及幾何關系得出。

由于式（11）為隱函數，無法直接計算臨界角z3，可借助matlab中solve函數，求解其值，具體過程如下：

（12）

此外，根據幾何關系，有：

（13）

式中：a2為箱蓋開啟狀態時AB的長度;a1為箱蓋關閉狀態時AB的長度。

則可建立目標函數如下：

（14）

2.5 邊界條件的確定

根據箱蓋長度和固定點布置空間等工程條件，及氣彈簧最小伸展力的范圍，可限定設計變量范圍如下：

（15）

由于采用挺舉式布置氣彈簧時，即氣彈簧的活塞筒一側固定點位于活動件上，活塞桿一側固定點位于固定件上，在箱蓋開啟和關閉過程中，活塞筒始終在活塞桿上方，氣彈簧內部的油液能夠較好地起到潤滑及阻尼作用。故一般采用該種形式來布置氣彈簧。為實現此種布置方式，需對設計變量進行線性不等式約束。可令圖4中直線段OD的長度小于OC的長度，即：

（16）

此外，為保證箱蓋開啟過程中，存在臨界角，避免式（12）中solve函數無解導致優化過程中斷，可令直線段OA的長度小于等于OB的長度，以保證在箱蓋關閉狀態時，氣彈簧作用力矩阻礙箱蓋打開，即存在自鎖力。則可建立線性式約束：

（17）

2.6 多目標優化函數的建立

根據以上計算結果，可得最終的優化模型如下：

（18）

3 優化結果分析

優化結果如表4所示。經過多目標優化，在保證最小伸展力及行程均小于原方案的情況下，即成本降低的情況下，開啟力、關閉力及臨界角更接近理想值。

表4 ?原方案與優化方案對比

其中，優化方案的最小伸展力比原方案降低5N;優化方案的開啟力與理想值偏差率為2%，小于原方案的9%;關閉力與理想值偏差率為2%，小于原方案的10%;臨界角與理想值的偏差率為2%，小于原方案的6%;行程比原方案降低6.6mm。

4 結論

本文基于matlab中多目標優化函數，以氣彈簧布置條件及最小伸展力作為設計變量，以操作力、開啟臨界角及氣彈簧行程與理想值的偏差率作為優化目標，建立優化模型。最終計算結果表明，該計算方法可在降低成本的前提下，滿足人機工程布置要求，提高人機舒適性。

參考文獻

[1] 溫浩，王小東.方艙艙門的氣彈簧選型安裝設計[J].專用汽車，2010 （10）：50-52.

[2] 姚芳，楊曉東，胡貴龍，沈濤.氣彈簧在拖拉機前機罩上的應用研究[J].農業裝備與車輛工程，2017，55（06）：101-104.

[3] 張立瀟.基于Python計算氣彈簧選型[J].河南科技，2018（13）：61-63.

[4] 馬東輝，馬少康，姜明.汽車發動機蓋自關閉氣彈簧布置優化方法[J].汽車實用技術，2018，44（11）：58-61.

[5] 劉國梁.尾門氣彈簧設計與力值計算的深入研究[J].汽車實用技術，2018（14）：156-161.

[6] 汪祥，李濤，賀占魁.汽車尾門氣彈簧系統優化設計研究[J].機械設計，2018，35（12）：99-103.