霍斯特 任浩潔 崔繼一

摘 要：為優(yōu)化裝配大徑向剛度機(jī)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(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在 Matlab 中首先建立了數(shù)學(xué)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(shù)對(duì)其性能的影響，并從中選取目標(biāo)參數(shù)。之后建立了包含機(jī)械彈性車輪的 4 自由度半車模型，確定平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)，使用量子遺傳算法在 C 級(jí)路面白噪聲輸入下對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)多次計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，并在不同環(huán)境下驗(yàn)證了優(yōu)化效果。結(jié)果表明： 量子遺傳算法能有效逼近最優(yōu)值，算法具有較好的穩(wěn)定性，優(yōu)化后越野車的平順性得到了提高。

關(guān)鍵詞：油氣懸架; 機(jī)械彈性車輪; 平順性; 量子遺傳算法

為使車輛適應(yīng)惡劣的行駛環(huán)境，其平順性及操縱穩(wěn)定性的改善具有十分重要的意義。本課題組研究的一種機(jī)械彈性車輪，由于擁有較大的側(cè)偏剛度，能增強(qiáng)車輛在復(fù)雜路面下的操縱穩(wěn)定性，但由于其大徑向剛度特性導(dǎo)致了平順性的不足。為保證該種車輪的實(shí)際應(yīng)用效果，需要進(jìn)行懸架優(yōu)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(jí)轎車以及工程、軍事車輛中。二者的結(jié)合對(duì)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(jī)械彈性車輪與油氣懸架的半車模型，在此基礎(chǔ)上，以提升平順性為優(yōu)化目標(biāo)確定優(yōu)化參數(shù)，利用量子遺傳算法對(duì)油氣懸架參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)、多參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 機(jī)械彈性車輪

本文所采用的機(jī)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(gè)鉸鏈組組成。經(jīng)仿真分析與實(shí)車實(shí)驗(yàn)研究后，得知其擁有的大側(cè)偏剛度保證了車輛的操縱穩(wěn)定性，但是其相對(duì)于子午線車輪較大的徑向剛度會(huì)對(duì)車輛的平順性產(chǎn)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(chǔ)上發(fā)展而來(lái)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(nèi)部，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊。其工作原理是通過(guò)氣室內(nèi)的惰性氣體的壓縮與膨脹緩和沖擊，通過(guò)活塞與油腔內(nèi)的油液流動(dòng)衰減振動(dòng)。

2.2 ? 4 自由度半車模型

為提高優(yōu)化計(jì)算的效率，同時(shí)考慮車輛前后懸架的差異，本文通過(guò)建立一種 4 自由度半車模型對(duì)油氣懸架進(jìn)行平順性優(yōu)化。

2.3 路面白噪聲輸入

現(xiàn)階段主要采用路面的功率譜密度來(lái)描述研究車輛振動(dòng)時(shí)路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性。

2.4 車輛裝配機(jī)械彈性車輪與普通子午線輪胎的平順性對(duì)比

為驗(yàn)證機(jī)械彈性車輪是否對(duì)車輛平順性造成負(fù)面影響，分別使用機(jī)械彈性車輪與普通子午線輪胎在不同等級(jí)路面下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，這里采用的子午線輪胎徑向剛度為 320 450 N /m，平順性指標(biāo)為垂向振動(dòng)與俯仰振動(dòng)的加權(quán)加速度均方根值。

3 油氣懸架設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的研究。但 GA 容易出現(xiàn)迭代次數(shù)多，或陷入局部極值等問(wèn)題。因此研究者們對(duì) GA 進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。

量子遺傳法是一種將量子計(jì)算機(jī)與 GA 結(jié)合的概率進(jìn)化算法。QGA 將量子的態(tài)矢量表達(dá)引入遺傳編碼，利用量子邏輯門實(shí)現(xiàn)染色體的演化，由于采用量子比特編碼的染色體可以表達(dá)多個(gè)態(tài)的疊加，相較于常規(guī) 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(guī)定個(gè)體基因表達(dá)的范圍。設(shè)計(jì)單向閥時(shí)需要考慮它與活塞的的相互布置位置。同時(shí)，由于是內(nèi)置式氣室，故初始充氣體積應(yīng)小于活塞桿內(nèi)腔體積。由于使用了小孔節(jié)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(shù)的形式在算法中表現(xiàn)約束力。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化對(duì)比

為保證量子遺傳算法結(jié)果的可靠性，使用相同的初始參數(shù)進(jìn)行了 3 次優(yōu)化運(yùn)算，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。由表1可知，量子遺傳算法多次優(yōu)化結(jié)果之間的差異性在 1% 左右，說(shuō)明該算法較為穩(wěn)定。選取其中綜合優(yōu)化效果最好的第 1 次優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行研究，結(jié)果顯示： 優(yōu)化目標(biāo)絕對(duì)值在剛開(kāi)始計(jì)算的時(shí)候迅速下降，在 100代左右達(dá)到最優(yōu)值附近，并在之后趨于穩(wěn)定。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

由表1可知，第 1 次優(yōu)化后，總的優(yōu)化目標(biāo)、垂向振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值、俯仰振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值、前后車輪動(dòng)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(yōu)化前后的各參數(shù)參數(shù)如表 2 所示。

將表中數(shù)據(jù)代入模型中進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化前后質(zhì)心垂向振動(dòng)加速度、俯仰振動(dòng)加速度、車輪載荷對(duì)比得知，優(yōu)化后車輛的平順性得到了改善。

4.3 優(yōu)化效果驗(yàn)證

優(yōu)化時(shí)使用的路面條件為 C 級(jí)路面，車速為20 m / s。油氣懸架優(yōu)化后，在不同的路面條件及車速下進(jìn)行效果驗(yàn)證，取平順性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，即垂向振動(dòng)及俯仰振動(dòng)的加權(quán)加速度均方根值來(lái)進(jìn)行效果比較。驗(yàn)證結(jié)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(yōu)化后的平順性都要優(yōu)于優(yōu)化前。優(yōu)化后俯仰振動(dòng)均有大幅度改善。除在 D 級(jí)路面 25 m / s的車速下之外，其他條件下都將垂向振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值降至 1 以下，達(dá)到了使用優(yōu)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(diǎn)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(shí)際給人的主觀感覺(jué)會(huì)更好，符合平順性的要求。而對(duì)于 D 級(jí)以上路面，則可通過(guò)適當(dāng)降低車速來(lái)保證平順性。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械彈性車輪的大徑向剛度特性會(huì)導(dǎo)致車輛平順性的降低。通過(guò)建立車輛平順性仿真模型，對(duì)在 C 級(jí)路面白噪聲輸入下以 20 m / s 車速行駛的裝配機(jī)械彈性車輪的越野車進(jìn)行平順性優(yōu)化，結(jié)果表明： 各平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)皆得到了改善，優(yōu)化后符合平順性要求?？梢?jiàn)量子遺傳算法用于油氣懸架的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)較好地完成了任務(wù)，具有一定的可行性。

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