CC BY
58
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. ских моделей как автомобиля, так и его агрегатов и систем. Поэтому в данный момент ведется работа по созданию новых, модернизации и расширению потенциальных возможностей существующих математических моделей, разработке необходимого программного обеспечения для дальнейшего внедрения в пакет STABCON 2.0. В то же время стратегия развития программного комплекса предусматривает внедрение в его среду различных программных модулей и самостоятельных программ, совместимых по инструментальным средствам их написания, которые предназначены для решения поставленных задач.
Литература
1. http://www.psi-movi.com/
Получение законов регулирования конструктивных параметров подвески автомобиля методом многокритериальной оптимизации
д.т.н. проф. Бахмутов С.В., к.т.н. доц. Ахмедов А. А., Орлов А.Б.
МГТУ "МАМИ» [email protected], 8 (495) 223-05-23, доб. 15-04
Аннотация. Описана двухэтапная методика постановки и решения многокритериальных параметрических оптимизационных задач по критериям управляемости и устойчивости автомобильной техники. Методика позволяет решать задачи проектирования и доводки колесной автомобильной техники с учетом качества дорожной поверхности в системе «Водитель-Автомобиль-Дорога». В процессе решения задачи найдены законы регулирования величин параметров жесткости и демпфирования подвески двухосного легкового автомобиля для различных дорожных условий.
Ключевые слова: многокритериальная параметрическая оптимизация, автомобильная техника, управляемость и устойчивость, система «Водитель-Автомобиль-Дорога», подвеска автомобиля.
Известна методика постановки и решения многокритериальных параметрических задач проектирования и доводки автомобильной техники, реализуемая в два этапа (рисунок 1) [1]. Проектная технология реализована применительно к управляемости и устойчивости автомобиля с использованием метода решения многокритериальных параметрических задач, разработанного Соболем И.М., Статниковым Р.Б. [2].
i
Рисунок 1 - Блок-схема решения задачи комплексной многокритериальной
оптимизации
На первом этапе узлы и агрегаты автомобиля представлены универсальными рабочими
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. характеристиками, не зависимыми от конструктивных особенностей известных расчетных схем. По критериям оптимальности выполняется поиск параметров рабочих характеристик узлов и агрегатов автомобиля. На втором этапе выполняется поиск конструктивных параметров реального узла или агрегата автомобиля. Условием поиска является приближение рабочей характеристики выбранного узла или агрегата к оптимальной, найденной на первом этапе решения задачи.
Преимущество методики заключается в простоте математического описания автомобиля на первом этапе, из-за отсутствия жесткой привязки к его конструктивному исполнению, что существенно сокращает время поиска оптимальных решений и повышает стабильность вычислений. На втором же этапе параллельно решаются задачи поиска конструктивных параметров реальных узлов и агрегатов.
В процессе реализации методики создан математический аппарат, описывающий двухосные и трехосные автомобили, обеспечивающий оценку поведения во всех режимах, включая критические по заносу, сносу и опрокидыванию, а также с учетом заданных дорожных условий. Пример расчетной схемы двухосного автомобиля и объекта исследований представлен на рисунке 2. Выполнены экспериментальные исследования на дорогах НИЦИАМТ ФГУП НАМИ с целью проверки адекватности математических моделей.
Рисунок 2 - Расчетная схема двухосных автомобилей и исследуемые экспериментальные образцы
Задачи решались с использованием критериев управляемости и устойчивости, в наибольшей степени корреллирующие с субъективными экспертными оценками водителей-испытателей:
• запасы управляющего момента (внутрь и наружу траектории);
• запасы стабилизирующего момента (внутрь и наружу траектории);
• эффективности управления (внутрь и наружу траектории);
• эффективности стабилизации (внутрь и наружу траектории);
• поворачиваемость, чувствительность к управлению;
• статическая курсовая устойчивость, устойчивость к опрокидыванию;
• заброс угловой скорости при рывке руля;
• время пика реакции при рывке руля;
• время 90% реакции при рывке руля;
• эквивалентное время запаздывания реакции по угловой скорости (на змейке);
• фазовый сдвиг при частоте входного воздействия 0,75 Гц (на змейке);
• показатель колебательности (на змейке);
• коэффициент усиления на типовом режиме (на змейке).
При составлении математического описания первого этапа использовались универсальные характеристики кинематики, жесткости и демпфирования подвески, рулевого управления, шин и трансмиссии.
В таблице 1 представлены группы задач, решаемых в системе «Водитель-Автомобиль-Дорога» (рисунок 3).
Таблица 1
Задачи, решаемые в системе «Водитель-Автомобиль-Дорога»_
Группа Описание
1 Автомобиль рассматривается как объект управления (А). Условия эксплуатации: ровная дорога или недеформируемый случайный микропрофиль
2 Автомобиль рассматривается как объект управления (АД). Учитываются условия эксплуатации и регулируемые параметры
3 Автомобиль рассматривается в системе «Водитель-Автомобиль-Дорога» (ВАД). Учитываются условия эксплуатации, регулируемые параметры и водитель как управляющее звено
Задачи групп 1 и 2 отлажены и решены по роду объектов. Задачи группы 3 находятся в стадии отладки.
Рисунок 3 - Оптимизационные задачи, решаемые научным коллективом
В процессе постановки и решения оптимизационных задач группы 1 рассматривается только автомобиль как объект управления. Опорная поверхность - идеально ровная (первая подгруппа). Задачи первого этапа содержат модели автомобиля, узлы и агрегаты которых представлены рабочими характеристиками. В процессе решения выполняется поиск параметров, описывающих рабочие характеристики. Задачи второго этапа содержат модели реальных конструкций узлов и агрегатов автомобиля. Примеры решения оптимизационных задач группы 1 представлены в таблице 2.
В случае комплексной оптимизации подвески, рулевого управления и шины, использовались 45 параметров (коэффициенты полиномов, описывающих характеристики кинемати-
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. ки, жесткости и демпфирования подвески и рулевого управления, а также силовые характеристики шин по уводу и продольному проскальзыванию).
Таблица 2
_Примеры решения оптимизационных задач в условиях ровной дороги_
Объект оптимизации ВАЗ-1119 2000 г. УАЗ-3160 2000 г. ВАЗ-1118 2004 г. ВАЗ-1119 2001 г.
Оптимизируемые узлы и агрегаты Комплексная оптимизация конструктивных параметров подвески, рулевого управления и шины. Передняя подвеска МакФерсон
Математическая модель Одномассовая, с учетом кинематики неподрессоренных элементов по 4-м степеням свободы.
Количество критериев 13 20 10 13
Количество варьируемых параметров 45 45 45 21
Количество пробных точек (в цикле) 2048 2048 2048 4000
Среднее улучшение по всем критериям, %. 26 27 33 11
Разработана методика, позволяющая решать задачи двухэтапной оптимизации с учетом влияния микропрофиля дорожной поверхности (задачи второй подгруппы). На первом шаге решается задача в условиях ровной дороги. Далее ставится уточняющая задача меньшей размерности в условиях неровной дороги. Примеры решенных задач данной подгруппы представлены в таблице 3.
Таблица 3
Примеры решения оптимизационных задач с учетом дорожной поверхности
Объект оптимизации Прототип ВАЗ-1119 (2003 г.) Прототип ВАЗ-1118 (2004 г.)
Дорожные условия Асфальт Булыжная дорога удовлетворительного качества Асфальт "Бельгийская мостовая"
Математическая модель автомобиля 5-ти массовая с у четом динамики неподрессоренных масс по одной степени свободы. Кинематика неподрессоренных масс учитывается по 5-ти степеням свободы.
Оптимизируемые узлы и агрегаты Комплексная оптимизация конструктивных параметров подвески, рулевого управления и шины
Количество критериев 3 8 4 5
Количество варьируемых параметров 16 14 17 15
Количество пробных точек (в цикле) 1024 1024 1024 1024
Среднее улучшение по всем критериям, %. 9 12 12 13
В случае постановки и решения оптимизационных задач группы 2. Опорная поверхность - недеформируемый микрпрофиль, а конструктивные параметры подразделяются на фиксированные (1) и регулируемые (2). Задачи первого этапа содержат модели автомобиля, узлы и агрегаты которых представлены рабочими характеристиками, представляющими полиномы второй и третьей степени. Выполняется поиск параметров, описывающих рабочие характеристики (1), и законов регулирования рабочими характеристиками (2). Задачи второго этапа содержат модели реальных конструкций узлов и агрегатов автомобиля.
Задача группы 2 решалась для двухосного автомобиля семейства ВАЗ. В процессе решения задачи выполнялся поиск законов регулирования параметрами жесткости и демпфирования подвески с учетом реального микропрофиля дороги. Исходными данными для постановки задачи являются результаты решения задачи оптимизации данного автомобиля в условиях ровной дороги. Далее все параметры, кроме регулируемых, считаем фиксированными.
Характеристики регулирования параметра Сх представлены полиномом второй степени:
Сх = Л) + Л1Х + Л2 х .
В качестве переменной х использовались значения среднеквадратичного вертикально-
2
го ускорения центра масс кузова автомобиля ср .
Значения характеристик регулирования представлены для параметра Сх, принимающего ненулевые значения для данного автомобиля. Исходные значения Сх найдены в процессе
решения задачи в условиях ровной дороги.
В процессе решения задачи пространство параметров зондировалось 4096 пробными точками. В результате найдены три паретооптималных варианта характеристик регулирования жесткости и демпфирования подвески автомобиля.
На рисунках 4 и 5 представлены характеристики регулирования параметра Сх жесткости и демпфирования подвески автомобиля в зависимости от дисперсии микропрофиля дороги, имеющего корреляционную связь с вертикальным ускорением центра масс кузова автомобиля.
Характеристика ОРР
ОЛППГ»
0
5
10
15
20
Дисперсия микропрофиля [м*10-4]
5
Рисунок 4 - Характеристики регулирования жесткостью при боковом крене передней СРР и задней СРЯ подвески в условиях микропрофиля дороги
Исходными данными для постановки и решения задачи оптимизации в системе «Водитель-Автомобиль-Дорога» (ВАД) (задачи группы 3) служат результаты решения задачи без учета водителя (АД) и с учетом водителя, но без учета микропрофиля дороги, то есть в системе Водитель-Автомобиль (ВА). В процессе решения задачи выполняется поиск конструктивных параметров подвески и законов регулирования их с учетом квалификации водителя.
Поиск базовых значений конструктивных параметров в зависимости от квалификации водителя выполняется в процессе решения задачи системы ВА. Поиск законов регулирования конструктивными параметрами в системе ВАД выполняется с учетом результатов решения задачи в системе ВА и в условиях АД.
Характеристика КРР
Дисперсия микропрофиля [м*10-4]
Характеристика КРР
Дисперсия микропрофиля [м*10-4]
Рисунок 5 - Характеристики регулирования демпфированием при боковом крене передней КРЕ и задней КРЯ подвески в условиях микропрофиля дороги
Разработанная методика, реализованная в виде прикладного программного комплекса, позволяет в короткие сроки, не прибегая к созданию опытных образцов, определять оптимальные конструктивные параметры автомобиля по заданным критериям качества.
Выводы
Качественное и количественное изменение характеристик упругости и демпфирования подвески (рисунки 4 и 5) объясняется сочетанием конструктивных параметров конкретного автомобиля, найденным на предыдущем шаге постановки и решения оптимизационной задачи.
Полученные законы регулирования позволяют улучшить характеристики управляемости и устойчивости легкового двухосного автомобиля с учетом микропрофиля дорожной поверхности по сравнению с автомобилем, оптимизированным в условиях ровной дороги.
В дальнейшем возможна реализация полученных законов в системе регулирования конструктивных параметров подвески, обеспечивающей адаптацию автомобиля к условиям эксплуатации.
Литература
1. Бахмутов С.В., Ахмедов А.А. Многокритериальная параметрическая оптимизация в задачах совершенствования характеристик управляемости и устойчивости автотранспортных средств. //«Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. - М., МГТУ «МАМИ», № 2 (4) 2007 г.
2. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями - М.: Дрофа, 2006. с. 175.
