CN111291445A - 基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，包括：步骤1，确定悬架系统多学科优化设计的相关参数；步骤2，建立制动抖动仿真分析模型和路噪仿真模型并进行仿真分析；步骤3，确定悬架系统需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；步骤4，进行各个设计变量的DOE采样计算；步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；步骤6，基于步骤5中的两个近似模型，对各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案。本发明能够设计匹配出合理的悬架系统参数，能够同时满足制动抖动性能和路噪性能的要求。

Description

基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法

技术领域

本发明涉及多学科优化设计，具体涉及一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法。

背景技术

制动抖动是制动盘在制动过程中引起制动力矩变化而导致的一种周期性激励的强迫振动，其频率与车速成一定的关系，通常为10-50Hz。它的振源是制动器子系统，通过前悬架和转向系统的传递后振动被放大。制动抖动问题严重影响车辆的舒适性，同时制动抖动也加速相关部件的疲劳，从而影响到汽车的安全性，因此控制制动抖动性能非常关键。目前，国内外对制动抖动的研究主要有两个方面：（1）振源控制，从制动盘自身材料、结构及热变形方面减少制动力矩的波动；（2）系统设计，从传递路径上的匹配参数来减弱制动抖动的敏感性，使驾驶员感受不到抖动。由于制动机理极其复杂，人们越来越意识到必须从系统工程的角度，通过设计合适的悬架系统来解决制动过程中的抖动问题。

路噪，即路面的振动通过轮胎和悬架后，传递到车体上的振动能量被消减并重新分配，最后到达驾驶员和乘客。如果路面振动没有有效地隔离开来，就会传递到车身的各个部位，从而影响整车NVH性能和车辆的品质。

制动抖动和路噪均通过悬架这个路径进行振动的传递，而对悬架参数的要求往往是相互冲突或相关的。目前，在产品开发过程中，主流汽车厂商主要采用“串行设计”模式，即对制动抖动和路噪性能单独控制，满足其中一项性能之后，再去验证另一项性能，导致系统的设计要经过多次循环，仍然难以解决存在的性能冲突问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，以设计匹配出合理的悬架系统参数，能够同时满足制动抖动性能和路噪性能的要求。

本发明所述的一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，包括以下步骤：步骤1，问题识别和P图分析，确定悬架系统多学科优化设计的相关参数；

步骤2，建立制动抖动仿真分析模型并进行制动抖动仿真分析，建立路噪仿真模型并进行路噪仿真分析；

步骤3，根据步骤1中的相关参数，确定悬架系统需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；

步骤4，进行各个设计变量的DOE采样计算；

步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；

步骤6，基于步骤5中的两个近似模型，对各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案；

步骤7，将步骤6中的优化方案代入步骤2中的制动抖动仿真分析模型和路噪仿真模型进行验证。

进一步，所述步骤1中的相关参数如下：

输入信号包括制动盘BTV数据（制动抖动工况），道路谱（路噪工况）；

控制因子包括前悬架各衬套刚度及阻尼，后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比；

噪声因子包括衬套刚度波动偏差、硬点位置偏差；

输出状态包括方向盘振动，路噪。

进一步，所述步骤2中建立制动抖动仿真分析模型并进行制动抖动仿真分析的过程为：根据实车测试的制动盘BTV数据作为制动抖动工况仿真分析的输入信号，在件Adams环境下搭建整车运动学模型，方向盘12点钟切向加速度为响应，实现制动抖动分析。

进一步，所述步骤2中建立路噪仿真模型并进行路噪仿真分析的过程为：采集原始路面谱PSD数据，并转化为轮胎位移激励作为路噪工况仿真分析的输入信号，整车NVH有限元模型由模态轮胎系统模型、底盘模型及TB内饰车身模型构成，作为路噪仿真的对象，驾驶员右耳声压值为关注性能输出响应，进行路噪性能仿真分析。

进一步，所述步骤3中所述的多个设计变量包括：前悬架各衬套刚度及阻尼，后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比。

进一步，所述步骤3具体为：根据步骤1中的相关参数，确定悬架系统需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模，在Optimus平台下集成参数化建模，搭建制动抖动性能和路噪性能的集成开发工作流。

进一步，所述步骤4具体为：确定各个设计变量的设计空间，采用最优拉丁超方试验设计方法分别开展各个设计变量的DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，对设计变量和关注性能进行相关性分析，筛选出与关注性能的相关性较为显著的显著性设计变量，然后开展对显著性设计变量的DOE采样计算。

进一步，所述步骤5具体为，提取所述步骤4中显著性设计变量的DOE采样计算的计算结果，基于制动抖动性能构造响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造响应面近似模型Ⅱ；当近似模型的精度低于90%时，增加DOE采样的样本点并更新近似模型，直到近似模型精度大于90%。

进一步，所述步骤6具体为：以“路噪≤设计目标值”为约束条件，以“最小化制动抖动”为目标，采用基于步骤5中的两个近似模型的全局搜索算法对各个设计变量进行优化，得到pareto最优解，获得一组最佳的匹配参数。

本发明提出了一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，通过制动抖动工况和路噪工况的仿真分析，执行DOE分析；再分别对制动抖动性能和路噪性能的评估指标构造近似模型；最后基于近似模型，开展基于制动抖动和路噪的多学科多目标优化，进而实现制动抖动性能和路噪性能的平衡。本发明能够在汽车产品研发过程中改善悬架系统参数设计手段，提高优化设计效果，降低在研发后期进行设计变更的风险，有利于缩短研发周期，节省研发成本。相较于传统的“串行设计”开发方法，本发明能够充分考虑多学科（制动抖动性能和路噪性能）之间的耦合作用，通过对多个设计变量进行确定性优化，可同时满足多项性能，一次性设计对，大幅缩短设计周期；该方法成本低、效率高、能够在汽车产品开发前期实现悬架系统正向设计，降低后期设计变更带来的研发周期加长、研发费用增加的风险。

附图说明

图1为基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法的流程图；

图2为制动BTV激励数据示意图；

图3为制动抖动性能和路噪性能的集成开发工作流；

图4为多学科优化设计pareto最优解。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，包括以下步骤：步骤1，问题识别和P图分析，确定悬架系统多学科优化设计的相关参数；

影响制动抖动性能和路噪性能的因素众多，如：时间影响、外部环境温度、整车各系统之间的交互影响（悬架系统变化、胎压变化）、系统误差（硬点尺寸误差等）以及用户使用情况。通过P图分析，确定悬架系统多学科优化设计的相关参数如下：

输入信号包括制动盘BTV数据（制动抖动工况），道路谱（路噪工况）；

控制因子包括前悬架各衬套刚度及阻尼，后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比；

噪声因子包括衬套刚度波动偏差、硬点位置偏差；

输出状态包括方向盘振动，路噪。

步骤2，建立制动抖动仿真分析模型并进行制动抖动仿真分析，建立路噪仿真模型并进行路噪仿真分析，分别完成初始设计状态下制动抖动工况仿真分析和路噪工况仿真分析；

建立制动抖动仿真分析模型并进行制动抖动仿真分析的过程为：测试制动盘厚度波动DTV数据，评估制动盘DTV（Disc Thickness Variation）数据是否符合设计要求，若DTV数据符合要求，就能够排除制动盘这个振动源激励过大而导致的制动抖动；当DTV数据符合要求，如图2所示，根据实车测试的制动盘力矩波动BTV（Brake Torsion Variation）数据作为制动抖动工况仿真分析的输入信号，在件Adams环境下搭建整车运动学模型，方向盘12点钟切向加速度为响应，实现制动抖动分析。

建立路噪仿真模型并进行路噪仿真分析的过程为：采集原始路面谱PSD（powerspectral density）数据，并转化为轮胎位移激励作为路噪工况仿真分析的输入信号，整车NVH有限元模型由模态轮胎系统模型、底盘模型、动力总成模型及TB内饰车身模型构成，作为路噪仿真的对象，驾驶员右耳声压值为关注性能输出响应，进行路噪性能仿真分析。

步骤3，根据步骤1中的相关参数，确定悬架系统需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模，在Optimus平台下集成参数化建模，搭建制动抖动性能和路噪性能的集成开发工作流。步骤3中所述的多个设计变量包括：前悬架各衬套刚度及阻尼，后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比。实际操作时，在制动抖动工况对以下设计变量进行参数化建模处理：前、后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比。在路噪工况下对以下设计变量进行参数化建模处理：前、后悬架各衬套刚度及阻尼。其中前、后悬架各衬套刚度及阻尼同时被制动抖动工况和路噪两个工况共同引用。采用批处理方式后台调用两个工况计算分析所包含的模型文件，实现所有设计变量的自动更新，进而分别驱动模型文件的自动更新，在Optimus集成优化平台下，搭建如图3所示的制动抖动性能和路噪性能的集成开发工作流。

步骤4，进行各个设计变量的DOE采样计算；确定各个设计变量的设计空间，采用最优拉丁超方试验设计方法分别开展各个设计变量的DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，对设计变量和关注性能进行相关性分析，筛选出与关注性能的相关性较为显著的显著性设计变量，然后开展对显著性设计变量的DOE采样计算。

实际操作时：进行制动抖动工况DOE采样计算，对制动抖动工况进行拉丁超方试验设计方法进行300组样本采样，完成样本计算。基于制动抖动DOE采样结果，对设计变量（控制因子）和关注性能（输出状态）进行相关性分析，根据相关性分析结果初步筛选出与制动抖动性能的相关性较为显著的显著性设计变量。

进行路噪工况DOE采样计算，对路噪工况进行拉丁超方试验设计方法进行100组样本采样，完成样本计算。基于路噪工况DOE采样计算结果，进行相关性分析，筛选出与路噪性能的相关性较为显著的显著性设计变量。

重新确定显著性设计变量的设计空间，将筛选出来的显著性设计变量重新组合进行DOE采样计算，后续优化时可重点考虑显著性设计变量对关注性能的影响。

步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；具体的，提取所述步骤4中显著性设计变量的DOE采样计算的计算结果，基于制动抖动性能构造响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造响应面近似模型Ⅱ；当近似模型的精度低于90%时，增加DOE采样的样本点并更新近似模型，直到近似模型精度大于90%。在本实施例中，根据误差分析和残差分析对近似模型精度进行验证，结果表明关注性能指标的误差分析结果均低于10%，满足精度要求。

步骤6，基于步骤5中的两个近似模型，对各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案；具体为：以“路噪≤设计目标值”为约束条件，以“最小化制动抖动”为目标，采用基于步骤5中的两个近似模型的全局搜索算法对各个显著性设计变量进行优化，得到如图4所示的pareto最优解，获得一组最佳的匹配参数，确定显著性设计变量具体取值。

步骤7，将步骤6中的优化方案代入步骤2中的制动抖动仿真分析模型和路噪仿真模型进行验证。检验仿真结果与近似模型优化结果的差异，若仿真结果与近似模型优化结果偏差小于5%，且仿真制动抖动值≤设计目标值，说明验证合格；若检验不合格，则需要返回步骤4，调整设计变量的设计空间，重新进行优化设计。

Claims (9)

1.一种基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，问题识别和P图分析，确定悬架系统多学科优化设计的相关参数；

步骤2，建立制动抖动仿真分析模型并进行制动抖动仿真分析，建立路噪仿真模型并进行路噪仿真分析；

步骤3，根据步骤1中的相关参数，确定悬架系统需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；

步骤4，进行各个设计变量的DOE采样计算；

步骤5，提取DOE样本点和计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；

步骤6，基于步骤5中的两个近似模型，对各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案；

步骤7，将步骤6中的优化方案代入步骤2中的制动抖动仿真分析模型和路噪仿真模型进行验证。

2.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中的相关参数如下：

输入信号包括制动盘BTV数据（制动抖动工况），道路谱（路噪工况）；

控制因子包括前悬架各衬套刚度及阻尼，后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比；

噪声因子包括衬套刚度波动偏差、硬点位置偏差；

输出状态包括方向盘振动，路噪。

3.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中建立制动抖动仿真分析模型并进行制动抖动仿真分析的过程为：根据实车测试的制动盘BTV数据作为制动抖动工况仿真分析的输入信号，在件Adams环境下搭建整车运动学模型，方向盘12点钟切向加速度为响应，实现制动抖动分析。

4.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中建立路噪仿真模型并进行路噪仿真分析的过程为：采集原始路面谱PSD数据，并转化为轮胎位移激励作为路噪工况仿真分析的输入信号，整车NVH有限元模型由模态轮胎系统模型、底盘模型及TB内饰车身模型构成，作为路噪仿真的对象，驾驶员右耳声压值为关注性能输出响应，进行路噪性能仿真分析。

5.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中所述的多个设计变量包括：前悬架各衬套刚度及阻尼，后悬架各衬套刚度及阻尼，前、后悬架各硬点参数，转向齿轮齿条传动比。

6.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：根据步骤1中的相关参数，确定悬架系统需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模，在Optimus平台下集成参数化建模，搭建制动抖动性能和路噪性能的集成开发工作流。

7.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤4具体为：确定各个设计变量的设计空间，采用最优拉丁超方试验设计方法分别开展各个设计变量的DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，对设计变量和关注性能进行相关性分析，筛选出与关注性能的相关性较为显著的显著性设计变量，然后开展对显著性设计变量的DOE采样计算。

8.根据权利要求7所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤5具体为，提取所述步骤4中显著性设计变量的DOE采样计算的计算结果，基于制动抖动性能构造响应面近似模型Ⅰ，基于路噪性能构造响应面近似模型Ⅱ；当近似模型的精度低于90%时，增加DOE采样的样本点并更新近似模型，直到近似模型精度大于90%。

9.根据权利要求1所述的基于制动抖动和路噪性能的悬架系统多学科优化设计方法，其特征在于，所述步骤6具体为：以“路噪≤设计目标值”为约束条件，以“最小化制动抖动”为目标，采用基于步骤5中的两个近似模型的全局搜索算法对各个设计变量进行优化，得到pareto最优解，获得一组最佳的匹配参数。

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