CN109063372A - 一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法 - Google Patents

一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其技术方案如下：根据轮毂驱动电动汽车具体结构建立车辆动力学分析模型；建立路面不平度及轮毂电机电磁力模型数学模型；综合考虑车辆不同运行路况、车速及载荷工况，以定转子相对位移量、车身俯仰角加速度及垂向振动加速度最小为优化目标，以悬架动挠度、轮胎动载荷、悬架阻尼参数、减振元件性能参数和减振元件变形量为约束条件，对悬架系统和减振元件参数进行优化匹配；对优化结果有效性进行验证，若不满足，则重新进行匹配，若满足要求，则获得最终设计方案。采用所提出的优化设计方法对悬架系统和减振元件进行参数优化匹配，可以实现车辆多种工况下的多目标性能的有效改善。

Description

一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设 计方法
技术领域
本发明属于电动汽车优化设计领域，尤其涉及一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件优化设计方法。
技术背景
分布式轮毂电机驱动电动汽车将电机、减速机构、制动器等部件集成于车轮内，这种新型底盘结构使车辆非簧载质量增加，同时，来自路面激励还会造成电机气隙的不均匀现象，这将导致轮毂电机引起的振动激励进一步恶化，给车辆的平顺性和接地安全性带来不利影响。如何减小甚至消除这种影响已成为轮毂电机驱动电动汽车发展所必须解决的关键问题之一。
悬架性能对车辆平顺性、乘坐舒适性及操纵稳定性等都有很大影响，而轮毂驱动电动汽车减振元件的设置主要是为了解决轮毂电机驱动车辆非簧载质量增加和电机气隙不均匀问题。两者之间不同的匹配，可以得到不同的传递特性和减振效果，提升车辆性能的关键在于通过悬架系统和减振元件的合理匹配，可以有效的降低和衰减外部激励引起的振动。而参数优化匹配的初衷是希望所设定的性能指标在所有车辆运行工况下都能达到最优状态。但在不同路面、车速及载荷工况下工作，车辆性能达到最佳所要求的参数匹配是不同的，因此，上述这种理想状态实际上是不可能实现的。在进行参数优化匹配时，需要根据实际情况，从中找到能兼顾各种工况的最优折中值。
基于此，本发明提出了一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件优化设计方法，此设计方法综合考虑了车辆运行路况、车速及载荷工况等多个影响因素，以定转子相对位移量、车身俯仰角振动加速度及车身垂向振动加速度为优化目标，对悬架系统和减振元件参数进行路面不平度及轮毂电机电磁力复合激励下的优化匹配设计。该方法对于解决引入轮毂电机等车辆非簧载质量增加引起车辆平顺性和舒适性问题研究有重要意义，同时为轮毂电机驱动电动汽车的优化设计提供了可借鉴的方案、方法。
发明内容
本发明的目的在于针对轮毂驱动电动汽车非簧载质量增加及路面激励和电磁激励引起的车辆振动恶化问题，提出一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件优化设计方法。此设计方法可以综合考虑了辆运行路况、车速及载荷工况等多个影响因素，以定转子相对位移量、车身俯仰角振动加速度及车身垂向振动加速度为优化设计目标，对悬架系统和减振元件参数进行路面不平度及轮毂电机电磁力复合激励下的优化匹配，以期达到降低和衰减外部激励引起的车辆振动，使车辆的各项性能指标能够兼顾多种实际的运行工况。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
根据轮毂驱动电动汽车具体结构建立车辆动力学分析模型；建立路面不平度及轮毂电机电磁力模型数学模型；建立轮毂驱动电动汽车单工况多目标下参数优化匹配设计问题模型的，具体包括：优化匹配设计变量的确定、约束条件的确定和单工况多目标参数匹配优化设计函数的表达；结合所建立的单工况多目标参数匹配优化设计函数，考虑车辆多工况问题，确定轮毂驱动电动汽车多工况多目标下参数优化匹配优化设计函数的表达；利用所建立的多工况多目标参数匹配优化设计函数，采用合适的优化计算方法进行轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计；利用所建立的轮毂驱动电动汽车动力学分析模型，对优化匹配结果的有效性进行验证；若优化结果能有效提高车辆的动力学性能，此时输出优化匹配变量最终优化值，结束优化过程；若优化结果不满足设计要求，则更新优化匹配设计变量，重新进行优化匹配，直至优化结果满足设计要求，结束优化过程。
本发明属于电动汽车优化设计领域，尤其涉及一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件优化设计方法。该方法综合考虑了车辆运行路况、车速及载荷工况等多个影响因素，对悬架系统和减振元件参数进行路面不平度及轮毂电机电磁力复合激励下的优化匹配，以期达到降低和衰减外部激励引起的车辆振动，使车辆在多种工况下的各项性能均得到有效改善。该方法对于解决引入轮毂电机等车辆非簧载质量增加引起车辆平顺性和舒适性问题研究有重要意义，同时为轮毂电机驱动电动汽车的优化设计提供了可借鉴的方案、方法。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明。
图1是本发明轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1流程图所示，本发明提出的轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其步骤包括：S1参数初始化；S2轮毂驱动电动汽车动力学分析模型的建立；S3单工况多目标优化设计目标的确定；S4多工况多目标参数匹配优化设计函数的确定；S5悬架系统与减振元件多工况多目标参数优化匹配设计；S6匹配结果有效性验证；S7是否满足设计要求；S8输出优化匹配结果；S9结束。
本发明的进一步优选方案是：
1、步骤S1是对轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数优化匹配参数初始化，具体包括：目标车型整车和零部件结构和性能参数；
2、步骤S2是根据轮毂驱动电动汽车具体结构建立其动力学分析模型的建立，具体包括：S21路面不平度模型、S22轮毂电机电磁力模型和S23轮毂驱动电动汽车动力学模型。所述S21路面不平度模型可以是路面不平度的时域表达式或频域表达式，也可由试验测试、拟合得到的时域表达式或频域表达式；所述S22轮毂电机电磁力模型可根据具体应用对象所采用的轮毂电机的类型的相关计算公式计算得到，也可由试验测试、拟合得到。所述轮毂电机的类型可以是各种直流电机、异步电机、同步电机；所述上S23轮毂驱动电动汽车动力学模型可以是1/4车辆动力学模型，也可以是1/2车辆动力学模型和整车动力模型；所述轮毂驱动电动汽车动力学模型可以是利用集中参数法建立的动力学模型，也可以是利用ADAMS、Carsim等动力学分析软件建立的动力学模型。本实施例中，S21指的是路面不平度时域表达式，S22指的是表贴式永磁同步电机的电磁力模型，S23指的是采用集中参数法建立的1/2轮毂驱动电动汽车动力学模型。
3、步骤S3是轮毂驱动电动汽车单工况多目标下参数优化匹配设计模型的建立，具体包括：S31优化设计变量的确定、S32约束条件的确定和S33单工况多目标优化设计函数的表达。本实施例中：
S31优化匹配设计变量为悬架系统和减振元件的性能参数，具体为：前后悬架刚度和阻尼k12、k22、c12、c22，减振元件刚度和阻尼k31、k32、c31、c32。
S32约束条件的确定，综合考虑：悬架的挠度、轮胎动载荷、悬架系统阻尼比、减振元件刚度、阻尼及变形量。
(1)悬架动挠度
为保证车轴与车架之间的限位块碰撞的概率在0.135％以内，悬架动行程fd的均方根值σ(fd)与悬架系统的限位行程[fd]之间必须满足σ(fd)/[fd]≤1/3，研究对象前后悬架限位行程分别为0.09m，0.085m，上述约束条件的数学表达为：
(2)轮胎动载荷
为保证车辆的行驶安全性，使车轮跳离地面的概率小于0.15％，车轮与路面间相对动载的标准差σ(Fd)与静载荷G的比值应不大于1/3，即：
式中，Fdf、Fdr分别为前后轮动载荷，Gf、Gr分别为前后轮静载荷。
(3)悬架阻尼参数
一般车辆悬架系统的相对阻尼系数ζ应满足：0.2≤ζ≤0.45，其中约束条件的数学表达为：
式中，m12、m22分别为前后悬架的质量。
(4)减振元件参数
减振元件应用于轮毂驱动系统，如果其刚度过小，受力时变形量过大，将会导致相连构件相互的运动干涉，同时还容易导致减振元件的损坏；减振元件刚度过大，则起不到较好的减振作用。根据前期研究，减振元件参数的优化范围为：
(5)减振元件变形量
要将减振元件合理的布置于各部件高度集成的狭小的车轮空间内，减振元件的结构尺寸及变形量必然受到车轮结构尺寸及布置方式的限制，且减振元件的变形量应尽量控制在其线性变化范围内。据应用对象，确定减振元件的变形量范围为：
S33单工况多目标参数匹配优化设计函数的表达，选择车身垂向振动加速度车身俯仰角振动加速度和轮毂电机定转子相对位移量作为优化目标。
综上，某工况下的优化目标是在保证车辆良好的平顺性和操纵稳定性的基础上，尽量减小路面激励对电机结构的影响，此优化问题可归结为一个在规定域上的多目标优化问题。可用如下函数表示：
上式中，X为优化参数组成的向量；Ω为可行解空间；xi为待优化的一个参数，n为优化指标的个数；gj(x)≥0为约束条件，代表一定的性能要求；Jm(X)为工况m下的优化目标函数。
由于峰值能量受其他因素影响的偶然性比较大，而均方根值RMS是表示一段时间上的平均，可以减少其他因素偶然性的影响，能较准确的反映实际情况，故将Jm(X)定义为：
其中：f3＝(y33-y32)2。λ1、λ2、λ3为各性能指标的加权值，且λ1+λ2+λ3＝1。
4、步骤S4是结合步骤S3建立的单工况多目标参数优化匹配设计模型，考虑车辆多工况问题，确定轮毂驱动电动汽车多工况多目标下参数优化匹配优化设计函数的表达。为确保不同载荷工况下系统具有良好的性能，综合考虑空载、半载及满载工况对悬架系统和减振元件性能参数的匹配要求。本实施例中多工况目标函数表达为：
式中，s(X)为多工况优化目标函数值。
仍然采用加权系数法，将多目标优化问题转化为单目标优化问题，则多工况目标函数为：
s(X)＝w1J1(X)+w2J2(X)+w3J3(X)
式中，w1、w2、w3分别为空载、半载和满载工况加权值，且w1+w2+w3＝1。
5、步骤S5是利用所建立的多工况多目标参数匹配优化设计函数，选择合适的优化计算方法进行轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计。所述优化计算方法可以是随机搜索法、序列线性规划法、罚函数法、序列二次规划等约束优化算法，也可以是局部搜索、模拟退火算法、遗传算法、神经网络、粒子群算法等智能算法。
本实施例中，采用罚函数法将相关约束条件进行处理，构造“惩罚项”，将约束条件添加到目标函数中，使含有约束条件的最小优化问题的求解转换为无约束的优化问题进行求解。对于无约束条件中的那些企图打破约束条件的迭代点，可以通过给予一个很大的目标函数值，以此来迫使这些迭代点向着可行性域收拢，并收敛于极小点。由此，针对本文的不等式约束优化问题，构造如下辅助函数:
式中，fj(X)为步骤3中各不等式约束转化成的等式约束，l为取值较大的常数。完成不等式约束的处理后，采用非线性规划的BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)算法进行求解。
6、步骤S6是利用建立的轮毂驱动电动汽车动力学分析模型，对优化匹配结果的有效性进行验证；
7、步骤S7是判断结果若为是：优化结果能有效提高车辆的动力学性能，此时输出优化匹配变量最终优化值，结束优化过程。
8、步骤S8是判断结果迭代次数若为否：不满足设计要求，则更新优化匹配设计变量，并重复所述步骤(2)-(7)，直至优化匹配结果满足设计要求，结束优化过程。

Claims (6)

1.一种轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数优化匹配参数初始化，具体包括：目标车型整车和零部件结构和性能参数；
(2)根据轮毂驱动电动汽车目标车型具体结构建立其动力学分析模型，具体包括：路面不平度模型、轮毂电机电磁力模型和轮毂驱动电动汽车动力学模型的建立；
(3)轮毂驱动电动汽车单工况多目标下参数优化匹配设计模型的建立，具体包括：优化设计变量的确定、约束条件的确定和单工况多目标参数匹配优化设计函数的表达；
(4)结合步骤(3)建立的单工况多目标参数匹配优化设计函数，考虑车辆多工况运行问题，确定轮毂驱动电动汽车多工况多目标下参数优化匹配优化设计函数的表达；
(5)利用步骤(4)建立的多工况多目标参数匹配优化设计函数，采用合适的优化计算方法进行轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计；
(6)利用步骤(2)建立的轮毂驱动电动汽车动力学分析模型，对优化匹配结果的有效性进行验证；
(7)所述步骤(6)的判断结果若是：优化结果有效提高车辆的动力学性能，此时输出优化匹配变量最终优化值，结束优化过程。
(8)所述步骤(6)的判断结果迭代次数若否：不满足设计要求，则更新优化匹配设计变量，并重复所述步骤(2)-(7)，直至优化匹配结果满足设计要求，结束优化过程。
2.根据权利要求1，所述轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述减振元件为设置于轮毂电机驱动电动汽车驱动系统，用于隔离和吸收路面的振动能量，减小路面不平激励对轮毂电机的影响的弹性元件；所述弹性元件，可以是各种采用橡胶材料的悬置元件、弹簧-阻尼器，也可以是各种等效为弹簧-阻尼器的各种弹性元件。
3.根据权利要求1，所述轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述轮毂驱动电动汽车动力学模型可以是1/4车辆动力学模型，也可以是1/2车辆动力学模型和整车动力模型；所述轮毂驱动电动汽车动力学模型可以是利用集中参数法建立的动力学模型，也可以是利用ADAMS、Carsim等动力学分析软件建立的动力学模型；所述路面不平度模型可以是路面不平度的时域表达式或频域表达式，也可由试验测试、拟合得到的时域表达式或频域表达式；所述轮毂电机电磁力模型可根据具体应用对象所采用的轮毂电机的类型的相关计算公式计算得到，也可由试验测试、拟合得到。所述轮毂电机的类型可以是各种直流电机、异步电机、同步电机。
4.根据权利要求1，所述轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述优化设计变量包括各悬架的刚度和阻尼及各减振元件的刚度和阻尼；所述约束条件包括：悬架动挠度、轮胎动载荷、悬架阻尼参数、减振元件性能参数和减振元件变形量；所述多目标包括：车身垂向振动加速度车身俯仰角振动加速度和轮毂电机定转子相对位移量y33-y32；所述单工况为只考虑路面等级和车速影响的路面不平度输入信号，其可以是某一路面等级和某一车速下通过步骤(2)所述路面不平度模型得到的路面不平度输入信号，也可以是在两种或两种以上路面等级上车辆以不同车速行驶时得到的路面不平度输入信号；所述单工况多目标参数匹配优化设计函数是指根据应用对象的性能要求所指定的车辆动力学控制目标函数，根据应用对象性能要求不同，可以有不同的表达形式。
5.根据权利要求1，所述轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述多工况包括：车辆满载工况、半载工况和空载工况；所述多工况多目标下参数优化匹配优化设计函数为综合考虑空载、半载及满载工况对悬架系统和减振元件性能参数的进行匹配设计的数学表达式，根据所述步骤(5)中所采用的优化算法不同，所述数学表达式有所不同。
6.根据权利要求1，所述轮毂驱动电动汽车悬架系统与减振元件参数匹配优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述优化计算方法可以是随机搜索法、序列线性规划法、罚函数法、序列二次规划等约束优化算法，也可以是局部搜索、模拟退火算法、遗传算法、神经网络、粒子群算法等智能算法。
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