优化设计方案对东风EQS6轻型客车悬架系统震动降噪效果的分析

结构优化设计的步骤是：

1）根据技术经济目标要求，建立结构优化设计数学模型。

2）选择合适的最优化数字算法和计算程序，在计算机上求解，得到一组最佳设计参数，即最优解。

3）优化结果的分析与评定。

【案例6-3】东风EQS6轻型客车结构参数的优化设计

解：在东风EQS6轻型客车结构参数的设计中，运用了优化设计方法与计算机模拟技术，对其传动系统和悬架系统的主要参数进行了最优设计。

1）东风EQS6轻型客车动力性和燃料经济性的优化设计

①建立动力性与经济性最优化的数学模型

a）设计变量。取设计变量为

式中 i_g——汽车后桥主减速比；

i_kΙ——变速器Ⅰ档速比。

b）目标函数。根据在保证必要的动力性的前提下，获得最佳燃料经济性的原则，建立如下目标函数：

式中 t——从0到65km/h的起步换档加速时间；

Q₆——六工况的“百公里油耗”；

α₁、α₂——加权系数。

c）约束条件。本优化设计方案包括以下三项约束条件：

（Ⅰ）对最高车速v_Gmax的约束条件：由可得

式中 v_P——直接档最大功率车速，

（Ⅱ）对最大爬坡度的约束条件

式中 ψ_max——道路阻力系数，ψ_max=fcosα_max+sinα_max；

α_max——给定最大爬坡度。

（Ⅲ）对设计变量取值范围的约束条件：由X_L≤X≤X_U可得

g₄（X）=X_L-X≤0；g₅（X）=X-X_U≤0

于是，动力性与经济性最优化的数学模型可归纳为：合理匹配i_kΙ与i_g，使目标函数f（X）的值达到最小，且满足上述三项约束条件。(www.xing528.com)

②动力性与经济性最优化的计算结果。对上述东风EOS6客车的动力性与经济性最优化的数学模型，采用复合型法（其数学原理与方法可参阅参考文献[25]），在MC68000计算机上，仅用2min就计算出105组可行的配比方案，并从中获得一组最佳的匹配参数。该车与两种不同型号发动机相匹配的最优化方案分别为：

a）该车与4100汽油机相匹配的最佳速比为：变速器各档速比i_k=（5.08、2.88、1.69、1.00、0.764），后桥主传动比i_g=6.17。此方案与原车相比，其动力性提高2.1%，经济性提高6.2%。

b）该车与492QA汽油机相匹配的最佳速比为：变速器各档速比i_k=（6.08、3.88、2.27、1.42、1.00），后桥主传动比i_g=5.43。此方案与原车相比，其动力性提高2.6%，经济性提高5.06%。

以上优化方案经样机试验验证，证明与该车试验结果十分吻合，并取得比较满意的效果。

2）东风EQS6轻型客车悬架系统的优化设计

①建立悬架系统最优化设计的数学模型

a）建立力学模型。首先将该车简化为五自由度模型，如图6-61所示。

图6-61 “东风EQS6客车”悬架系统的五自由度力学模型

关于图6-61注释如下：

m₁、m₂、m₄、m₅为驾驶员及座椅的质量、汽车“簧载质量”，前、后桥的“非簧载质量”；

k₁、k₂、k₃、k₄、k₅分别为座椅的垂直刚度，前、后悬架垂直刚度，前、后轮胎垂直刚度；

c₁、c₂、c₃、c₄、c₅分别为座椅阻尼系数，前、后悬架阻尼系数，前、后轮胎阻尼系数；

l₁、l₂、l₃分别为m₁、m₄、m₅到质心m₂的水平距离；

f_g1、f_g2为地面对前、后车轮的激励；

z₁、z₂、z₃、z₄、z₅分别为m₁～m₅的广义坐标。

b）建立系统的矩阵运动方程。

c）建立目标函数。

设计的目的是希望在路面条件下和一定车速范围内，尽量使得驾驶员舒适。因此，通过调整汽车的悬架特性使驾驶员座位的最大绝对加速度最小，且能满足使得某些相对位移不超过规定的极限。可据此建立目标函数。

d）建立约束条件。

②优化计算及结果分析。把非线性规划中的梯度投影法推广到求解上述最优问题，关键在求得各约束积分式对设计变量的导数。为此，提高利用伴随变量的灵敏度分析，将非线性规划中的梯度投影法推广到函数空间的动态最优化。并由此开发出SSGPA-1悬架系统动态优化程序。将此程序应用于东风轻型客车的悬架系统优化设计，得出的优化方案与原方案的比较见表6-2。

表6-2 东风EQS6轻型客车悬架系统优化结果

根据优化方案给出的刚度值所设计的钢板弹簧，安装在该轻型客车上经过试验表明：可使驾驶员座垫上的最大绝对加速度降低4.8%。并使该车的平顺性达到国内同类车型的最好水平。其指标对比见表6-3。

表6-3 东风EQS6轻型客车平顺性指标对比 （单位：h）