節(jié)能車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析含SW三維及3張CAD圖

節(jié)能車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析含SW三維及3張CAD圖,節(jié)能,車車,優(yōu)化,設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),分析,sw,三維,cad 附錄1：外文翻譯 隨機(jī)路面激勵(lì)下被動(dòng)半主動(dòng)懸架四分車模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化 G. VERROS S. NATSIAVAS 亞里斯多德大學(xué)機(jī)械工程系，希臘(natsiava@auth.gr) C. PAPADIMITRIOU 德國(guó)塞薩利大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程學(xué)系，38 334卷，希臘。 (2005年3月28日獲接納2005年1月4日) 文摘:提出了一種基于隨機(jī)路面激勵(lì)的非線性四分車模型懸架阻尼和剛度參數(shù)的優(yōu)化方法。調(diào)查開始時(shí)，汽車模型涉及被動(dòng)阻尼，具有恒定或雙速率特性。在此基礎(chǔ)上，我們還研究了懸架阻尼系數(shù)選取的汽車模型，從而使系統(tǒng)近似模擬了具有天鉤阻尼的主動(dòng)懸架系統(tǒng)的性能。對(duì)于半主動(dòng)或無(wú)源雙速率阻尼器的模型，等效懸架阻尼系數(shù)的值是關(guān)于車輪子系統(tǒng)的簧載質(zhì)量相對(duì)速度的函數(shù)。因此，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方程是強(qiáng)非線性的。對(duì)于這些模型，首先采用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)獲得由具有隨機(jī)剖面的道路產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)的第二個(gè)力矩特征。該信息在車輛性能指標(biāo)的定義下得到了進(jìn)一步的應(yīng)用，該指標(biāo)對(duì)最重要的懸架參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了具有代表性的數(shù)值結(jié)果。特別關(guān)注道路質(zhì)量的影響以及與車輪跳動(dòng)有關(guān)的檢查效果。最后，對(duì)被動(dòng)線性懸架阻尼器和半主動(dòng)減振器汽車所得到的結(jié)果進(jìn)行了臨界比較。 關(guān)鍵詞:四分車模型，雙速率阻尼器，天鉤阻尼，輪跳，隨機(jī)優(yōu)化。 1. 介紹 在汽車工業(yè)的許多領(lǐng)域，通常采用單自由度或雙自由度四分之一汽車模型。這些ar-eas包括對(duì)地面車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、識(shí)別、優(yōu)化和控制的預(yù)測(cè)(如Karnopp等，19741 Harrison和Hammond, 19861 Sharp和Has-san, 19861 Hrovat, 19931 Dixon, 19961 Metallidis etal .， 2003)。這主要是由于四分之一車型的簡(jiǎn)單和他們提供的質(zhì)量上正確的信息，特別是在騎車和搬運(yùn)研究方面。此外，從這些簡(jiǎn)單的mod-els中提取的信息，為更詳盡、準(zhǔn)確和全面的研究提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更多的涉及到動(dòng)力汽車模型(Verros et al.， 2000a)。 本研究的主要目的是開發(fā)和應(yīng)用一種系統(tǒng)的方法-ogy，使地面車輛的懸架阻尼和剛度參數(shù)在隨機(jī)道路激勵(lì)下的最佳組合。以往對(duì)該課題的研究大多涉及具有線性特征的汽車模型或受確定性道路激勵(lì)作用的力學(xué)模型。此外，很少注意揭示和研究與車輪跳躍現(xiàn)象有關(guān)的重要影響，主要是由于其數(shù)學(xué)建模的固有困難(Palkovics和Venhovens, 19921 Verros和Natsiavas, 2001)。 目前的工作結(jié)合最近的發(fā)展，涉及到對(duì)非線性四分之一車型的響應(yīng)和優(yōu)化，受到道路激勵(lì)。在粒子-lar中，研究的模型包括具有強(qiáng)烈非線性阻尼和剛度特性的懸浮液，并允許車輪跳躍。此外，道路的不規(guī)則性被假定為random的性質(zhì)，它們被頻率光譜描述，這被認(rèn)為是典型的汽車工程(Dodds和Robson, 19731 Gillespie, 1992)。然后將此激勵(lì)應(yīng)用于具有線性或雙線性減震器和線性或三線性懸架彈簧的雙自由度四分之一汽車模型。具體來(lái)說(shuō)，除了線性模型外，還研究了帶有被動(dòng)或半主動(dòng)懸架阻尼器的汽車系統(tǒng)。在最后一種情況下，根據(jù)懸架阻尼系數(shù)的選擇，應(yīng)用控制策略，使車輛接近理想狀態(tài)的天鉤。在阻尼或剛度系數(shù)可變的情況下，分析變得復(fù)雜，因?yàn)楫a(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方程涉及強(qiáng)非線性。類似的非線性也被引入到線性模型中，當(dāng)車輪跳躍被包括在公式中(例如Verros和Natsiavas, 2001)。 在選擇了道路激發(fā)譜后，利用蒙特卡羅模擬法對(duì)所研究的非線性車輛模型進(jìn)行了概率分析。隨機(jī)道路輪廓的樣本函數(shù)是利用光譜抑制方法生成的，然后通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的積分(Shinozuka, 1972)計(jì)算出車輛對(duì)每個(gè)樣本道路輪廓的響應(yīng)。最后，利用所得到的樣本車輛響應(yīng)時(shí)間歷史來(lái)估計(jì)響應(yīng)的特征。這些特性反過(guò)來(lái)又形成了一個(gè)基礎(chǔ)，這對(duì)于開發(fā)一個(gè)計(jì)算上合適和高效的優(yōu)化過(guò)程是必要的。 本論文的材料組織如下。在下一節(jié)中，我們介紹了被動(dòng)和半主動(dòng)的四分之一汽車模型。在第3節(jié)中，我們提出了一種計(jì)算非直線車輛模型的二階矩特性的方法，該模型受已知光譜的隨機(jī)道路輪廓的影響。該信息用于第4節(jié)，定義車輛性能指標(biāo)，包括車輛行駛舒適性、車輛處理和懸掛的工作空間。然后，建立了基于該性能指標(biāo)的懸架阻尼和剛度參數(shù)的最優(yōu)值選擇方法。在第5節(jié)中，給出了一些典型的數(shù)值結(jié)果，并通過(guò)應(yīng)用該方法得到了一些數(shù)值結(jié)果。重點(diǎn)是對(duì)線性、雙線性和天車模型的結(jié)果進(jìn)行關(guān)鍵的比較。最后，總結(jié)了工作的重點(diǎn)。 圖1所示.車輛模型:(a)線性模型，(b)分段線性模型，(c)天鉤模型。 2. 力學(xué)模型 本研究中研究的車輛系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖1所示。它們被稱為四分之一車型，由于它們的簡(jiǎn)單性和質(zhì)量上的正確信息，它們被廣泛應(yīng)用于汽車工程中，至少在最初的設(shè)計(jì)階段(Hrovat, 1993年)。在所有情況下，坐標(biāo)x1和x2分別表示車輪子系統(tǒng)和車身的絕對(duì)垂直位移。 首先，對(duì)于圖1(a)的線性模型，運(yùn)動(dòng)方程可以很容易地放入經(jīng)典矩陣形式。 其中x1t2 - 5 1x1 x22t表示響應(yīng)向量，而數(shù)量 表示質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣，以及系統(tǒng)的剛度矩陣。此外，矢量f 1t2包括由于道路粗糙度而產(chǎn)生的強(qiáng)迫項(xiàng)。特別地，車輛被假定為以一個(gè)恒定的水平速度40在道路上的一個(gè)側(cè)面圖s1z2。在這里，這個(gè)配置文件由一個(gè)隨機(jī)過(guò)程表示，它具有統(tǒng)計(jì)分布，這與典型的道路概況(Dodds和Robson, 1973)的測(cè)量是一致的。因此，強(qiáng)迫向量是以形式表示的。 其中xg 1t2, s140t2。 圖2.(a)懸浮阻尼器的受力特性。(b)恢復(fù)彈簧的力。(c)天鉤模型的等效懸架阻尼系數(shù)。 圖1(b)和圖1(a)中所示的模型的主要區(qū)別是，前者遵循一種常用的被動(dòng)控制策略，即懸架阻尼系數(shù)c2在兩個(gè)不同的值之間轉(zhuǎn)換的值。更具體地說(shuō)，對(duì)于這個(gè)模型，車身和車輪之間形成的阻尼力具有這種形式。 其中x4 5 x42 6 x41。這意味著懸架阻尼系數(shù)取決于簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之間相對(duì)速度的符號(hào)，如圖2(a)所示。換句話說(shuō)，它在壓縮時(shí)的值與擴(kuò)展值不同(例如，沃爾瑪公司，19901 Surace et al.， 1992)。此外，懸架彈簧也可能具有分段線性特性。一般情況下，典型的汽車懸架的恢復(fù)力具有非線性特性，可以通過(guò)折疊表達(dá)得到足夠的精度。 其中x5 x2 6 x1，而xc和xe表示被暫停的間隙(參見圖2(b))。最后，圖1(c)所示的力學(xué)模型被稱為理想的“天鉤”模型，并在傳統(tǒng)懸架模型(Verros et al.， 2000b)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，該模型還包括了一個(gè)帶阻尼系數(shù)的阻尼器阻尼器，它比輪胎的等效阻尼系數(shù)c1要大得多。在最簡(jiǎn)單的形式中，該模型具有線性特征。然而，由于不可能實(shí)現(xiàn)這類懸架，必須采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，修改其特性。根?jù)前人對(duì)這一課題的研究，采用以下控制力對(duì)天鉤模型的行為進(jìn)行了研究。 在系統(tǒng)的兩個(gè)質(zhì)量之間。這意味著，為了對(duì)車輛進(jìn)行主動(dòng)控制，需要對(duì)懸架阻尼系數(shù)值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，比如c92，基于對(duì)x41、x42和x4g的量的測(cè)量。 在實(shí)際操作中，最經(jīng)濟(jì)、最容易實(shí)現(xiàn)的策略是基于半主動(dòng)控制邏輯，采用雙開關(guān)阻尼器。更具體地說(shuō)，從c21和c22選取適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)值的公式中選擇等效的懸掛阻尼系數(shù)(見圖2(c))。 在被動(dòng)雙線性或半主動(dòng)控制策略的應(yīng)用后產(chǎn)生的動(dòng)力系統(tǒng)是強(qiáng)非線性的，因?yàn)閼壹茏枘嵯禂?shù)的值在某些點(diǎn)上發(fā)生變化。此外，即使對(duì)于具有線性特性的系統(tǒng)，當(dāng)允許車輪單獨(dú)分離和起飛時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)。這一現(xiàn)象被稱為“車輪跳躍”(wheel hop in the literature)，它對(duì)車輛的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了巨大的變化(Verros和Natsiavas, 2001)。為了將這種可能性納入到力學(xué)模型中，首先引入了運(yùn)動(dòng)學(xué)變量。 然后，如果X1 5 0，輪子與地面沒有接觸，當(dāng)接觸力在車輪與地面之間產(chǎn)生接觸力的時(shí)間間隔內(nèi)，失去接觸，等于零(Leine et al.， 2000)。最后，運(yùn)動(dòng)方程的相應(yīng)修正是，在輪作階段，k1、c1和強(qiáng)制函數(shù)f 1t2等于零。 3. 隨機(jī)路面情況下的響應(yīng)特性。 一般來(lái)說(shuō)，典型的道路是存在著大量的孤立的不規(guī)則現(xiàn)象，例如坑坑洼洼或凸起，它們被疊加在較小的但連續(xù)分布的剖面上。為了本研究的目的，我們只考慮后一種類型的道路。也就是說(shuō)，本節(jié)討論的是在前一節(jié)給出的車輛模型的二階矩響應(yīng)特性的估計(jì)。這些隨機(jī)域是實(shí)值的，零均值，平穩(wěn)，高斯分布。因此，對(duì)于他們的完整的統(tǒng)計(jì)描述，足以指定他們的二階矩。在這里，這一要求是通過(guò)假設(shè)道路不規(guī)則有一個(gè)已知的單面功率譜密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如Sg 192，其中9 5 2是一個(gè)空間頻率，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)具有波長(zhǎng)的諧波規(guī)律性。根據(jù)之前對(duì)該主題的許多調(diào)查(例如，Dodds和Robson, 1973)，典型道路的幾何輪廓非常精確地符合以下簡(jiǎn)單的分析形式。 用對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)刻度表示的直線。用這種方法，兩種不同道路斷面的粗糙度的振幅比與各自的Ag值的平方根比成正比。此外，在公式(5)中選擇指數(shù)的值為n 5 2時(shí)，通常是相當(dāng)準(zhǔn)確和分析方便的，這也就意味著道路坡度具有類似于白噪聲信號(hào)的特征。 定性地說(shuō)，在方程(5)中，指數(shù)n的一個(gè)很大的值強(qiáng)調(diào)了較長(zhǎng)的波長(zhǎng)的粗糙度，而它抑制了較短的波長(zhǎng)的粗糙度。由于這一原因，人們普遍認(rèn)為，與典型道路的幾何輪廓相對(duì)應(yīng)的光譜，可以通過(guò)如下的更復(fù)雜的函數(shù)來(lái)近似。 其中，9051,2是一個(gè)參考空間頻率。此外，價(jià)值Sg1902提供了一種衡量道路粗糙度的措施。在這里，指數(shù)被選擇了，因此n1 5n2和結(jié)果譜在一個(gè)對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)尺度上顯示了一個(gè)斜率不連續(xù)的9 590。最后，由于Sg 192的值趨近于9 0，所以路譜被高通濾波器濾波。 對(duì)于具有線性特性的車輛模型的特殊情況，對(duì)道路輪廓譜密度和車輛速度的知識(shí)通過(guò)眾所周知的公式(Lutes和Sarkani, 1997)對(duì)固定車輛響應(yīng)的譜密度進(jìn)行評(píng)估 在前面的方程中，5 940是時(shí)間頻率，Sx x 1 2和Sgg 1 2表示。 響應(yīng)和強(qiáng)迫的譜密度矩陣分別為，H - 1 2，包括系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，而上標(biāo)T，分別表示轉(zhuǎn)位和共軛(如:Roberts和Spanos, 1990)。通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)的功率譜密度函數(shù)的積分，可以很容易地得到各種響應(yīng)量的正極矩特征。然而，在前一節(jié)中提出的所有車輛模型，除了沒有車輪跳躍的線性模型外，都具有包含強(qiáng)非線性的運(yùn)動(dòng)方程。在這種情況下，頻域分析不再有效，而對(duì)二階矩響應(yīng)特性的分析公式是不可用的。對(duì)于這種情況，使用蒙特卡羅模擬法評(píng)估響應(yīng)的概率特征，并結(jié)合早期為分段線性系統(tǒng)開發(fā)的合適的集成方法(例如Natsiavas, 19931 Verros等，2000b)。 特別地，對(duì)于非線性車輛模型，道路輪廓的樣本是使用光譜表示方法生成的(Shinozuka, 19721 Shinozuka和Deodatis, 1991)。更具體地說(shuō)，如果假設(shè)車輛在給定的道路上以恒定的水平速度行駛40英里，那么由于道路的不規(guī)范而產(chǎn)生的強(qiáng)迫行為可以通過(guò)下面的系列來(lái)模擬。 在前一個(gè)方程中，從所選的道路光譜中對(duì)激勵(lì)諧波的振幅進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中，952l和L是考慮的路段長(zhǎng)度。此外，還確定了基本的時(shí)間頻率0的值。 而階段n被視為隨機(jī)變量，在區(qū)間內(nèi)的均勻分布[03 2 2。然后，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的積分，計(jì)算出車輛對(duì)各樣本道路輪廓的響應(yīng)。最后，利用樣本響應(yīng)估計(jì)了響應(yīng)的二階矩特征。幾百個(gè)樣本通常足以獲得對(duì)反應(yīng)第二時(shí)刻的適當(dāng)估計(jì)。 上述選擇基激發(fā)歷史的方法需要了解道路輪廓的功率譜密度和車輛速度的水平分量。圖3(a)顯示了兩組道路的光譜，這是在第五部分中進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算的例子。更具體地說(shuō)，較低的曲線代表了高質(zhì)量的道路(n1 5 2, n2 5 175和Sg 1902 5 16 1066 m2 cycle61 m61)，而上曲線代表的是質(zhì)量差的道路(Sg 1902 5256 1066 m2 cycle61 m61)，根據(jù)ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)。圖3(b)展示了兩種典型道路概況的具體形式，一種屬于高質(zhì)量群體，另一種屬于壞質(zhì)量集團(tuán)。 在本研究的第一部分，提出了一種系統(tǒng)的方法，給出了在隨機(jī)變化的幾何剖面上移動(dòng)的四分之一汽車模型的懸掛阻尼和剛度參數(shù)的最優(yōu)值。摘要研究了被動(dòng)線性和雙速率懸架阻尼器模型，以及半主動(dòng)天鉤阻尼模型。應(yīng)用的控制策略，結(jié)合對(duì)車輪跳躍的考慮，導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)方程中出現(xiàn)了強(qiáng)非線性。這反過(guò)來(lái)又在應(yīng)用程序的集成和優(yōu)化過(guò)程中造成了困難，這是通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)克服的。在工作的第二部分，給出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果，主要是對(duì)典型的四分之一汽車模型的懸架參數(shù)的優(yōu)化選擇，以及在適當(dāng)定義的性能指標(biāo)中權(quán)重因子的不同組合。注意力還集中在調(diào)查與道路概況質(zhì)量有關(guān)的影響方面。在這種情況下，特別強(qiáng)調(diào)了在懸浮彈簧中對(duì)車輪跳或非線性的影響，發(fā)現(xiàn)它被激活并對(duì)低質(zhì)量的道路造成嚴(yán)重的后果。通過(guò)檢查所研究的模型的動(dòng)力學(xué)，也獲得了對(duì)優(yōu)化結(jié)果中觀察到的最重要趨勢(shì)的一些有用的見解。最后，在對(duì)所檢測(cè)的所有病例的信息進(jìn)行批判性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：半主動(dòng)控制的車輛比被動(dòng)雙速率阻尼器更好地設(shè)計(jì)了汽車模型，從而比具有線性懸架阻尼器的模型表現(xiàn)出更好的性能。 附錄2：外文原文