减轻重型汽车对道路的损伤——汽车悬架优化设计.pdf

减轻重型汽车对道路的损伤汽车悬架优化设计减轻重型汽车对道路的损伤汽车悬架优化设计 余卓平 黄锡朋 张洪欣（同济大学，上海）yuzhuopingfcv- 摘要 摘要 车辆对道路的损伤取决于其作用在道路上的轴荷（包括静态轴荷和动态轴荷）。本文从改善汽车振动性能，从而减小动态轴荷的观点出发，以减轻车辆对道路的损伤为目的，对汽车悬架进行优化设计分析，并作了实例计算，由此指出在重型汽车后悬架设置减振器是减轻我国道路损伤的有效方法。关键词 关键词 道路损伤 汽车悬架 优化设计 0 引言 0 引言 在传统的汽车设计中，悬架参数的选择是以保证汽车的性能为目的而进行的。随着公路交通的发展，公路上行驶的重型汽车愈来愈多，重型汽车对道路的损伤问题也愈来愈得到重视。如何通过合理的设计，减轻重型汽车对道路的损伤，是当前面临的新任务。车辆对道路的损伤主要取决于车辆轴荷（包括静态轴荷和动态轴荷）和车轮轮胎的接地面积。具体的车辆对道路损伤的计算公式1为：()=+=NipIIIpP1214161静动 （1）式中为车辆对道路的损伤系数，N 为车辆的总轴数，P静 1和P为第 i 轴上的静态轴荷和动态轴荷均方根值，11III和分别是第 i 轴上反映车轮轮胎接地面积的车轮轮胎布置形式影响系数和轮胎充气气压影响系数，P静，III和是在汽车总体设计时确定的量，根据文献 1 有：=车辆单侧双轮胎车轴单侧单轮胎9.00.1I=222/5.09.0/7.00.1/9.01.1mmNPmmNPmmNII轮胎充气气压 动态轴荷的大小主要由激励的大小（路面不平度）和悬架系统的优劣来决定。就对道路损伤影响较大的车辆后轴而言2：()()202220002/2rrrprPdfffHnnGP静静=（2）式中为行车速度，()00nnGq和为路面不平度系数和参考空间频率，最后一项分式是表征车辆（悬架）特征的车辆系数 Fr，其中()fHr22是路面不平度对后轴轴荷的传递函数：()()()fGfGHqprfr动=22 （3）()()fGfGqpr和动分别为后轴动态轴荷和路面不平度的功率谱密度。联邦德国根据汽车车辆系数 Fr的大小，对悬架的振动性能作了分类3（见表 1）。发达国家重型汽车后悬架特性大都属中等水平。性能优良的悬架系统往往需要采用空气弹簧 表 1 悬架振动性能分类 车辆系数（秒/米2）377754 7551571157225132513性能评价 优良 中等 差 极差 由于我国以往的载重汽车设计主要着重考虑前悬架的振动性能（保证驾驶室平顺性要求），对后悬架的振动性能要求不严，从而国产重型汽车的后悬架振动性能都较差，按表 1归类，大都属差或极差之列。这对于我国的道路来说是很不利的。因此，在保证国产重型汽车其它原有性能不降低的前提下，对其悬架系统（尤其是后悬架）进行优化设计，改善它的振动性能，从而减轻重型汽车对道路的损伤是十分必要的。1 重型汽车悬架系统化设计 1 重型汽车悬架系统化设计 1、优化目标函数 1、优化目标函数 从减轻车辆对道路的损伤出发，以式（1）中的损伤系数为优化目标函数，既优化后的悬架系统可使车辆对道路的损伤系数达到最小值。()+=NiwpIIIPPF1214161minmin静 2、优化设计变量 2、优化设计变量 悬架系统只影响式（4）中的()2/静Pp项。当汽车总体设计确定后，I、II及 P静均为定值。(4)在计算车辆对道路的损伤时，主要考虑车辆满载工况，故 P静应是满载工况下的值。对于计算式（2）中的、()00nnGq和值，根据我国道路状况，路面等级以 C 级为主4，故在优化设计中取()103601.010256=mnmnGq，并根据 C 级路面上的常用行车速度，取小时公里/50=。式（2）中()fHr22（前悬架相应为()fH221）的计算主要根据图 1所示的双轴汽车简化平面模型进行（详见文献 2）。图 1 模型中的质量参数由汽车的非簧载质量、簧载质量及其转动惯量决定4。它们是在汽车总体设计时确定的量。轮胎刚度rtk1根据轮胎型式和轮胎充气气压决定。除此以外，模型中的悬架系统刚度系数 k1、r及阻尼系数C1、r是决定()frHr22的主要参数。它们也正是需要进行优化设计的参数。考虑将优化变量无量钢化，并根据重型汽车悬架的常用类型，确定优化设计变量及其取值范围如下：()()()()()()()()5.00.1:12/20.80.1:1/35.00.1:12/20.80.1:1/122XmkcXXkkXXmkcXXkkXrrtttrrrtttr前悬架阻尼比后悬架刚度比前悬架阻尼比前悬架刚度比=3 优化设计约束条件 3 优化设计约束条件 悬架的钢度、阻尼除影响汽车对道路的动载荷外，还对车身垂直加速度、悬架动挠度悬架弹簧强度等有影响。为了保证在进行以减轻汽车对道路损伤为目的的优化设计是，不降低汽车的行驶平顺性及强度安全性，建立以下 3 组 6 个约束条件：（1）悬架动挠度约束条件 该约束条件之目的是要求汽车在行驶过程中，悬架的总挠度保持在极限范围内，即不产生悬架击穿（撞击限位块）现象，从而保证汽车行驶平顺性。当要求悬架击穿的概率仅为0.3%时，约束条件表达式为：()03)1(,tmrfdtsffG+=（5）()03)2(,tmrfdtsffG+=（6）式中()()()rfrdrffdrtsff,和是指前（后）悬架在满载工况下的静挠度、动挠度均方根值和极限挠度。（2）车身底板垂直振动加速度约束条件 车身底板垂直振动加速度值是评价汽车行驶平顺性的一项重要指标，因此在进行悬架系统的优化设计时，应该考虑它的影响，由于优化设计的目标是减轻汽车对道路的损伤，为了在优化设计的同时不降低汽车的行驶平顺性，故把车身底板垂直振动加速度纳入约束条件，即使优化事的悬架系统产生的车身底板垂直振动加速度低于优化前的相应值。()0322rzrzG=（7）()0422rzrzG=（8）式中rz2为优化后的前（后）悬架上方车身底板垂直振动加速度均方根值。()rtz2则为优化前的相应值。（3）悬架弹簧强度约束条件 在优化计算过程中，悬架的刚度值不断调整，从而使得悬架钢板弹簧的各项参数（如弹簧总片数、片厚、长度等）随之变化，因此弹簧承受的最大应力也不断变化。为了保证钢板弹簧的强度要求5，必须对钢板弹簧在极限挠度处承受的最大应力max进行约束。()()0/1000/6522mmNskLfhEGrmp=（9）()()0/1000/6622mmNskLfhEGrmp=（10）式中括号内是钢板弹簧最大应力max的表达式：下标 f 和 r 分别代表前悬架弹簧和后悬架主弹簧；E 是钢板弹簧材料的弹性模量；hp为弹簧的平均片厚；L 为弹簧长度；为挠度增大系数；fm为极限挠度；s 为 U 形螺栓中心距；k 是考虑 U 形螺栓夹紧弹簧后的无效长度系数。后悬架的副弹簧的刚度在优化设计中不考虑改变。由于优化的结果是减小悬架负荷，因此后悬架副弹簧的强度能够得到保证，不必进行约束。（4）优化设计方法 图 2 从以上分析可知，悬架参数以使车辆对道路的损伤最小为目标函数的优化问题是一个 4维 6 个不等式约束的线性规划问题。优化设计计算方法采用拟牛顿乘子法6。经试算，效果 问题函数子程序计算()()61GG及 主程序 输入初值：()()4100XX 输出优化结果：()()4100XX 优化子程序：似牛顿乘子法良好。优化设计系统的结构框图如图 2 所示。（5）优化设计实例分析 采用以上设计方法，对一辆后轴轴荷为 11 吨级的国产重型货车进行实例优化计算，结果如表 2 所示。表 2 悬架参数优化实例结果 数值 名称 优化前 优化后刚度比 X（1）6.53 6.53 弹簧片数nr 12 12 弹簧刚度（N/mm2）5.36105 5.36105 阻尼比 X（2）0.12 0.13 前 悬 架 阻尼系数（N s/m）1.22104 1.33104 刚度比 X（1）4.12 4.45 弹簧片数nr 12 9 弹簧刚度（N/mm2）16.98105 15.73105 阻尼比 X（2）0.04 0.22 后 悬 架 阻尼系数（N s/m）1.00104 5.50104 表 3 优化前、后汽车对道路的损伤系数 损伤系数(105kN4)路面 级别 车速(km/h)优 化 前0 优 化 后0%10000040 1.62 1.57 3%60 1.66 1.58 5%A 80 1.71 1.59 7%40 1.89 1.65 13%60 2.07 1.69 18%B 80 2.23 1.73 22%40 3.01 1.95 35%60 3.74 2.11 44%C 80 4.36 2.29 47%http:/ -6-在表 3 中列出了优化前、后的目标函数值，即车辆对道路的损伤系数00和，并给出了优化后目标函数下降的相对百分比%100000，由此可看出优化效果。从表 2 中可见，优化后的前悬架参数变化不大，而对道路损伤有较大影响的后悬架参数变化较大，主要是悬架刚度较小而阻尼增大。表 3 中的 A、B 级路面相应的路面不平整度系数()0nGq分别为 1610-6m3和 6410-6m3。从表 3 中可看出，优化的效果随路面状况和行车速度的不同而改变。路面状况愈差、车速愈高，则优化效果愈明显。这是因为路面愈平整、车速愈低，道路对车辆的激励就愈小，从而使得动态轴荷对道路的损伤影响亦愈小，所以通过优化悬架参数减小动态轴荷的作用也就不大。我国公路的主要组成部分是 C 级和 B 级路面，相应的常用车速在 40km/h 至 60km/h之间。从表 3 中可知，优化后可车辆对道路的损伤减轻 18%至 35%。显然，优化汽车悬架参数，改善车辆的振动性能，对减轻我国的道路损伤具有十分重要的意义。2 结束语 2 结束语 通过以上的优化设计计算分析可知：1、优化并设计汽车的悬架参数，可减轻重型汽车对道路的损伤。2、优化结果表明，国产重型汽车振动性能差对道路损伤大的主要原因是后悬架阻尼太小，而这又是不设置减振器所致，因此，要求所有的重型汽车设置后悬架减振器是减轻重型汽车对我国道路的损伤的一项有力措施。http:/ -7-参 考 文 献 参 考 文 献 1 Arbeitsausschuss“Strassenbeanspruchung”der Forschungsgesell fuer Strassenwesen;Bemerkungen zur Erhoehung zul,Gesamtgewichte aus der Sicht der Strassenbeanspruchung,3,Entwurf.1978 2 余卓平，黄锡朋，张洪欣，公路车辆对道路损伤的计算方法的研究，同济大学学报，1993,21（增1）3 M.Mitschke,Verminderung der Vertikalen Strassenbeanspruchung durch Schwere Nutzfahrzeug.Automobil Industrie,Heft 1/1979 4 余志生，汽车理论。机械工业出版社，1981 5 张兴欣，汽车设计。机械工业出版社，1989 6 华中工学院。优化方法程序库 PC-POB 使用说明。The Alleviation of Damage to Road by Heavy VehicleOptimization Design of Vehicle-suspension The Alleviation of Damage to Road by Heavy VehicleOptimization Design of Vehicle-suspension Yu Zhuoping Huang Xipeng Zhang Hongxin(Tongji University,Shanghai)Abstract The damage to road by traffic depends on the vehicle axle load(both static and dynamic)on the road.This paper presents an optimization design of the vehicle suspension for alleviating the damage to road by improving the vehicle vibration-behavior so that the dynamic axle load can be reduced.It was shown in the optimization with example that the installation of a damper in the rear suspension on of a heavy vehicle is an effective method to alleviate the damage to road.Key words:Damage to road,Vehicle suspension,Optimization design