基于裝配機械彈性車輪的車輛平順性的油氣懸架優化研究

霍斯特 任浩潔 崔繼一

摘 要：為優化裝配大徑向剛度機械彈性車輪的越野車行駛平順性，使用一種裝配單筒式油氣彈簧的懸架，并利用量子遺傳算法對其參數進行優化。在 Matlab 中首先建立了數學模型描述單筒式油氣彈簧的剛度與阻尼特性，探討了油氣彈簧各參數對其性能的影響，并從中選取目標參數。之后建立了包含機械彈性車輪的 4 自由度半車模型，確定平順性評價指標，使用量子遺傳算法在 C 級路面白噪聲輸入下對其進行優化，通過多次計算進行對比，并在不同環境下驗證了優化效果。結果表明： 量子遺傳算法能有效逼近最優值，算法具有較好的穩定性，優化后越野車的平順性得到了提高。

關鍵詞：油氣懸架; 機械彈性車輪; 平順性; 量子遺傳算法

為使車輛適應惡劣的行駛環境，其平順性及操縱穩定性的改善具有十分重要的意義。本課題組研究的一種機械彈性車輪，由于擁有較大的側偏剛度，能增強車輛在復雜路面下的操縱穩定性，但由于其大徑向剛度特性導致了平順性的不足。為保證該種車輪的實際應用效果，需要進行懸架優化。而油氣懸架的非線性剛度與阻尼特性能較好地改善車輛的平順性，被廣泛地用于越野車、高級轎車以及工程、軍事車輛中。二者的結合對提升車輛性能意義重大。本文以某越野車為例，建立了包含機械彈性車輪與油氣懸架的半車模型，在此基礎上，以提升平順性為優化目標確定優化參數，利用量子遺傳算法對油氣懸架參數進行了多目標、多參數的優化設計，并對優化結果進行了分析。

1 機械彈性車輪

本文所采用的機械彈性車輪。該車輪主要由輪轂、車輪外圈及連接二者的12 個鉸鏈組組成。經仿真分析與實車實驗研究后，得知其擁有的大側偏剛度保證了車輛的操縱穩定性，但是其相對于子午線車輪較大的徑向剛度會對車輛的平順性產生不利影響。

2 車輛平順性仿真模型

2.1 單筒式油氣彈簧

油氣彈簧是在膜式空氣彈簧的基礎上發展而來的，是油氣懸架的核心部件。本文所研究的一種單筒式油氣彈簧，它將氣室置于活塞桿內部，使得結構更加緊湊。其工作原理是通過氣室內的惰性氣體的壓縮與膨脹緩和沖擊，通過活塞與油腔內的油液流動衰減振動。

2.2 ? 4 自由度半車模型

為提高優化計算的效率，同時考慮車輛前后懸架的差異，本文通過建立一種 4 自由度半車模型對油氣懸架進行平順性優化。

2.3 路面白噪聲輸入

現階段主要采用路面的功率譜密度來描述研究車輛振動時路面不平度的統計特性。

2.4 車輛裝配機械彈性車輪與普通子午線輪胎的平順性對比

為驗證機械彈性車輪是否對車輛平順性造成負面影響，分別使用機械彈性車輪與普通子午線輪胎在不同等級路面下進行仿真實驗，這里采用的子午線輪胎徑向剛度為 320 450 N /m，平順性指標為垂向振動與俯仰振動的加權加速度均方根值。

3 油氣懸架設計參數優化

3.1 量子遺傳算法

遺傳算法具有極高的魯棒性，被廣泛應用于各個領域的研究。但 GA 容易出現迭代次數多，或陷入局部極值等問題。因此研究者們對 GA 進行了一系列的改進。

量子遺傳法是一種將量子計算機與 GA 結合的概率進化算法。QGA 將量子的態矢量表達引入遺傳編碼，利用量子邏輯門實現染色體的演化，由于采用量子比特編碼的染色體可以表達多個態的疊加，相較于常規 GA 具有更高的多樣性，不易陷入局部極值，且能更加逼近全局極值。

3.2 約束條件

邊界條件用于規定個體基因表達的范圍。設計單向閥時需要考慮它與活塞的的相互布置位置。同時，由于是內置式氣室，故初始充氣體積應小于活塞桿內腔體積。由于使用了小孔節流公式，故等效阻尼孔面積的選取不能太大。中間變量以罰函數的形式在算法中表現約束力。

4 優化結果分析

4.1 優化對比

為保證量子遺傳算法結果的可靠性，使用相同的初始參數進行了 3 次優化運算，優化結果如表1所示。由表1可知，量子遺傳算法多次優化結果之間的差異性在 1% 左右，說明該算法較為穩定。選取其中綜合優化效果最好的第 1 次優化結果進行研究，結果顯示： 優化目標絕對值在剛開始計算的時候迅速下降，在 100代左右達到最優值附近，并在之后趨于穩定。

4.2 優化結果

由表1可知，第 1 次優化后，總的優化目標、垂向振動加權加速度均方根值、俯仰振動加權加速度均方根值、前后車輪動載荷分別改善了29.3% 、21.3% 、51.1% 、23.5% 、4.98% ，越野車的平順性得到了較大幅度的提升。優化前后的各參數參數如表 2 所示。

將表中數據代入模型中進行計算，得到優化前后質心垂向振動加速度、俯仰振動加速度、車輪載荷對比得知，優化后車輛的平順性得到了改善。

4.3 優化效果驗證

優化時使用的路面條件為 C 級路面，車速為20 m / s。油氣懸架優化后，在不同的路面條件及車速下進行效果驗證，取平順性的重要評價指標，即垂向振動及俯仰振動的加權加速度均方根值來進行效果比較。驗證結果如表3所示。

由表3 可知： 不管在怎樣的路面條件及車速下，優化后的平順性都要優于優化前。優化后俯仰振動均有大幅度改善。除在 D 級路面 25 m / s的車速下之外，其他條件下都將垂向振動加權加速度均方根值降至 1 以下，達到了使用優化前油氣懸架的子午線輪胎車輛的平順性水平，人的主觀感受為“有一點不舒適”（ 0.315-0.63） 到“不舒適”（ 0.5 -1） 之間。由于忽略了座椅的減震性能，故實際給人的主觀感覺會更好，符合平順性的要求。而對于 D 級以上路面，則可通過適當降低車速來保證平順性。

5 結束語

機械彈性車輪的大徑向剛度特性會導致車輛平順性的降低。通過建立車輛平順性仿真模型，對在 C 級路面白噪聲輸入下以 20 m / s 車速行駛的裝配機械彈性車輪的越野車進行平順性優化，結果表明： 各平順性評價指標皆得到了改善，優化后符合平順性要求。可見量子遺傳算法用于油氣懸架的多目標優化設計較好地完成了任務，具有一定的可行性。

參考文獻：

[1]杜現斌，趙又群，林棻，等. 機械彈性車輪純外傾力學特性刷子理論建模[J]. 哈爾濱工程大學學報，2018，39（ 3） ： 1-6.

[2] 臧利國，趙又群，姜成，等. 機械彈性車輪徑向剛度特性及影響因素研究[J]. 振動與沖擊，2015，34（ 8） ： 181-186.

[3]臧利國，趙又群，李波，等. 機械彈性車輪結構參數對牽引性能的影響[J]. 哈爾濱工程大學學報，2014，35（ 11） ： 1415-1421.