CN113761658A - 一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车辆空气悬架系统刚度阻尼特性的优化匹配方法，包括以下步骤：1、建立车辆空气悬架系统数学模型，准确反映车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系；2、构建车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的主要性能指标；3、确定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量；4、制定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化过程中所需满足的约束条件；5、针对不同行驶工况，基于相关优化算法对车辆空气悬架系统刚度阻尼特性参数进行优化；6、进行模型仿真，对比优化前后的车辆空气悬架系统综合性能，验证优化效果。本发明能够实现对车辆空气悬架刚度阻尼特性参数的良好优化匹配，提高车辆空气悬架系统的综合性能。

Description

一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法
技术领域
本发明涉及一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，属于车辆悬架系统技术领域。
背景技术
随着人们对车辆性能要求的不断提高以及制造技术的快速发展，空气悬架被列为我国汽车工业发展的产品研发与推广项目。根据交通部出台的“营运客车类型划分及等级评定”标准(JT/T325-1997)，空气悬架首次被列为高端客车的必选装置。国内高校、科研机构和有关企业也加大了对空气悬架关键技术的研发力度以提升我国空气悬架的自主研发能力和产品性能。目前，国内相关部分企业已能够实现空气悬架及其关键零部件的自主生产和研发，如中国公路车辆机械有限公司、上海科曼车辆部件系统等。
空气悬架系统刚度阻尼匹配性能的优劣直接关系到车辆的舒适性、平顺性、操稳性和安全性等，也关系到空气悬架的寿命和可靠性。空气悬架系统的刚度阻尼匹配技术主要包括空气悬架内部各元件的匹配、各元件与空气悬架的匹配以及空气悬架与整车的匹配等。由于空气弹簧、减振器等零部件的非线性特性和复杂路面激励的随机特性，必须开展大范围工况下空气悬架系统的刚度阻尼特性匹配研究，实现满足车辆多性能指标要求的空气悬架及关键零部件的优化匹配。然而，现有悬架系统匹配方法主要面向常规悬架类型，对于新型空气悬架系统的刚度阻尼特性匹配并不适用，进而无法实现最优的车辆空气悬架系统性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法。为达成上述目的，本发明所采用的技术方案为：
步骤1，建立车辆空气悬架系统数学模型，包括路面模型、轮胎模型、非簧载质量模型、空气弹簧模型、减振器模型以及簧载质量模型，准确反映车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系；
步骤2，结合车辆悬架系统的性能特点及便于后续完成刚度阻尼特性参数的优化匹配，构建车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标；
步骤3，结合空气悬架刚度阻尼特性的主要影响因素，确定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量；
步骤4，根据悬架系统实际运行要求，制定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化过程中所需满足的约束条件；
步骤5，针对不同等级路面和车速等行驶工况，基于相关优化算法对车辆空气悬架系统的刚度阻尼特性参数进行优化；
步骤6，进行模型仿真，对比优化前后的车辆空气悬架系统综合性能，验证优化效果。
优选地，所述步骤1中，空气弹簧模型的呈现形式为空气弹簧内部气压乘以空气弹簧有效截面积。
优选地，所述步骤2中，车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标为簧载质量垂向振动加速度均方根值，悬架动行程均方根值以及轮胎动载荷均方根值。
优选地，所述步骤3中，车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量为空气弹簧内部气压和减振器可调阀口面积。
优选地，所述步骤5中，不同等级路面和车速的行驶工况包括：1)A级路面+车速120km/h；2)B级路面+车速80km/h；3)C级路面+车速40km/h；4)D级路面+车速20km/h。
优选地，所述步骤5中，采用粒子群优化算法对车辆空气悬架系统刚度阻尼特性参数进行优化，优化过程包括如下步骤：
步骤1，根据车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标，定义粒子群算法的适应度函数；
步骤2，将车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量定义为粒子，初始化若干粒子的位置和速度；
步骤3，计算各粒子的适应度，更新个体最优粒子和全局最优粒子；
步骤4，更新粒子的位置和速度；
步骤5，判断迭代过程是否结束，结束则输出最优解，未结束则返回步骤3。
本发明技术方案通过建立车辆空气悬架系统数学模型，准确反映车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系，进而确定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量、约束条件，最终形成基于粒子群优化算法的空气弹簧非线性刚度特性拟合方法。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为一种车辆空气悬架刚度阻尼特性优化匹配方法的整体流程图；
图2为车辆空气悬架系统数学模型示意图；
图3为基于粒子群算法的车辆空气悬架系统刚度阻尼特性参数优化流程图。
图中，1为簧载质量，2为空气弹簧，3为可调阻尼液压减振器，4为非簧载质量，5为轮胎，6为路面。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其整体技术路线如图1所示，所述方法及系统的实现过程包括如下步骤：
步骤1，建立车辆空气悬架系统数学模型，包括路面模型、轮胎模型、非簧载质量模型、空气弹簧模型、减振器模型以及簧载质量模型，准确反映车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系；
步骤2，结合车辆悬架系统的性能特点及便于后续完成刚度阻尼特性参数的优化匹配，构建车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标；
步骤3，结合空气悬架刚度阻尼特性的主要影响因素，确定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量；
步骤4，根据悬架系统实际运行要求，制定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化过程中所需满足的约束条件；
步骤5，针对不同等级路面和车速等行驶工况，基于相关优化算法对车辆空气悬架系统的刚度阻尼特性参数进行优化；
步骤6，进行模型仿真，对比优化前后的车辆空气悬架系统综合性能，验证优化效果。
所述步骤1中，车辆空气悬架系统数学模型示意图如图2所示，根据车辆悬架系统动力学原理，空气悬架数学模型的数学表达式可表示为：
Figure BDA0003241194760000031
式中，pas为空气弹簧(2)的内部气压，Aas为空气弹簧(2)的有效截面积，cs为可调阻尼液压减振器(3)的可变阻尼系数，zu和zs分别为非簧载质量(4)和簧载质量(1)的垂向位移，mu和ms分别为非簧载质量(4)和簧载质量(1)的重量，kt为轮胎(5)的垂向刚度，zr为路面(6)的不平度垂向位移输入。根据上述模型，获取了车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系。
从上述模型也可看出，所述空气弹簧刚度特性模型的呈现形式为空气弹簧内部气压乘以空气弹簧的有效截面积。本发明所考虑的空气悬架可调阻尼减振器为阻尼阀口面积可调式液压减振器，所述减振器的阻尼特性主要与阀口面积相关，因此，所述减振器阻尼特性模型的呈现形式为可变阻尼系数等于比例系数与减振器可调阀口面积的乘积。
车辆悬架系统的主要性能指标为簧载质量垂向振动加速度，悬架动行程以及轮胎动载荷。结合车辆空气悬架系统数学模型的表达式及减振器阻尼系数的数学表达式，可获取簧载质量垂向振动加速度均方根值，悬架动行程均方根值以及轮胎动载荷均方根值与空气弹簧内部气压及减振器可调阀口面积间的数学映射关系，因此，所述步骤2中，车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标为簧载质量垂向振动加速度均方根值，悬架动行程均方根值以及轮胎动载荷均方根值。所述步骤3中，将车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量确定为空气弹簧内部气压和减振器可调阀口面积。
为避免优化得到相关变量不符合实际要求，在步骤4中，对空气悬架系统刚度阻尼特性优化过程定义如下约束条件：
1)阻尼比
阻尼比较大时能迅速衰减振动，但过大的阻尼比会导致车轮不能迅速弹回而降低对路面激励的缓冲能力，甚至出现离地腾空的现象；阻尼比较小时能够使车辆具有较好的缓冲能力，但是会导致车辆振动持续的时间变长，使舒适性变差。一般来说，当车辆行驶在较好路面工况时，车身垂直振动加速度较小，为保证良好的乘坐舒适性，阻尼比应取较小值；当车辆行驶在较差路面工况时，车身垂直振动加速度较大，为保证良好的行驶安全性，阻尼比应取较大值；当车辆行驶在相同路面，车速较小时，阻尼比应取较小值，车速较大时，阻尼比应取较大值。综上所述，本发明取悬架阻尼比的范围为[0.19,0.39]。
2)悬架动行程
根据振动理论，当悬架动挠度均方根值小于某一值时，能够保证悬架撞击限位块的几率小于0.3％。因此，对悬架动行程均方根值设定约束：不得超过0.05m。
3)轮胎动载荷
根据振动理论，当轮胎动载荷均方根值小于车身自身重力的1/3时，车轮跳离路面的概率小于0.15％，因此，对轮胎动载荷均方根值设定约束：不得超过车身自身重力的1/3。
在上述流程的基础上，针对不同等级路面和车速等行驶工况，基于相关优化算法对车辆空气悬架系统的刚度阻尼特性参数进行优化。考虑到车辆实际行驶工况，将不同等级路面和车速的行驶工况定义为五种：1)A级路面+车速120km/h；2)B级路面+车速80km/h；3)C级路面+车速40km/h；4)D级路面+车速20km/h。
进而在步骤5中，采用粒子群优化算法对车辆空气悬架系统刚度阻尼特性参数进行优化，优化过程如图3所示，主要包括如下步骤：
步骤1，根据车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标，定义粒子群算法的适应度函数；所述适应度函数为车身加速度、车轮动载荷以及悬架动行程的均方根值加权组合而成的综合评价指标。
步骤2，将车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量定义为粒子，初始化若干粒子的位置和速度；
步骤3，计算各粒子的适应度，更新个体最优粒子和全局最优粒子；
步骤4，更新粒子的位置和速度；所述粒子的更新公式为：
vid k+1＝wvid k+c1y(pid-xid k)+c2y(pgd-xid k)
xid k+1＝xid k+vid k+1
式中，vid为粒子速度，pid为局部最优解，pgd为全局最优解，xid为粒子当前位置，c1、c2为学习因子，y为随机函数，k＝1,2,…,n表示第k代粒子，w为常值系数。
步骤5，判断迭代过程是否结束，判断的主要条件是算法的适应度函数是否达到要求，若达到要求，则算法结束，输出最优解；若未达到要求，则算法返回步骤3。
综上，本发明提出了一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，通过建立车辆空气悬架系统数学模型，准确反映车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系，确定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量、约束条件，最终形成基于粒子群优化算法的空气弹簧非线性刚度特性拟合方法。本发明能够实现对空气悬架系统刚度阻尼特性的匹配优化，为车辆空气悬架系统的性能提升提供了良好基础。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其特征在于，所述方法的实现过程包括如下步骤：
步骤1，建立车辆空气悬架系统数学模型，包括路面模型、轮胎模型、非簧载质量模型、空气弹簧模型、减振器模型以及簧载质量模型，准确反映车辆空气悬架系统主要输入输出变量间存在的数学关系；
步骤2，结合车辆悬架系统的性能特点及便于后续完成刚度阻尼特性参数的优化匹配，构建车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标；
步骤3，结合空气悬架刚度阻尼特性的主要影响因素，确定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量；
步骤4，根据悬架系统实际运行要求，制定车辆空气悬架刚度阻尼特性优化过程中所需满足的约束条件；
步骤5，针对不同等级路面和车速等行驶工况，基于相关优化算法对车辆空气悬架系统的刚度阻尼特性参数进行优化；
步骤6，进行模型仿真，对比优化前后的车辆空气悬架系统综合性能，验证优化效果。
2.根据权利要求1所述的一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其特征在于，所述步骤1中，空气弹簧模型的呈现形式为空气弹簧内部气压乘以空气弹簧的有效截面积。
3.根据权利要求1所述的一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其特征在于，所述步骤2中，车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标为簧载质量垂向振动加速度均方根值，悬架动行程均方根值以及轮胎动载荷均方根值。
4.根据权利要求1所述的一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其特征在于，所述步骤3中，车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量为空气弹簧内部气压和减振器可调阀口面积。
5.根据权利要求1所述的一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其特征在于，所述步骤5中，不同等级路面和车速的行驶工况包括：1)A级路面+车速120km/h；2)B级路面+车速80km/h；3)C级路面+车速40km/h；4)D级路面+车速20km/h。
6.根据权利要求1所述的一种车辆空气悬架刚度阻尼特性的优化匹配方法，其特征在于，所述步骤5中，采用粒子群优化算法对车辆空气悬架系统刚度阻尼特性参数进行优化，优化过程包括如下步骤：
步骤1，根据车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的性能指标，定义粒子群算法的适应度函数；
步骤2，将车辆空气悬架刚度阻尼特性优化的具体变量定义为粒子，初始化若干粒子的位置和速度；
步骤3，计算各粒子的适应度，更新个体最优粒子和全局最优粒子；
步骤4，更新粒子的位置和速度；
步骤5，判断迭代过程是否结束，结束则输出最优解，未结束则返回步骤3。
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