霍斯特 任浩洁 崔继一

摘 要：为优化装配大径向刚度机械弹性车轮的越野车行驶平顺性，使用一种装配单筒式油气弹簧的悬架，并利用量子遗传算法对其参数进行优化。在 Matlab 中首先建立了数学模型描述单筒式油气弹簧的刚度与阻尼特性，探讨了油气弹簧各参数对其性能的影响，并从中选取目标参数。之后建立了包含机械弹性车轮的 4 自由度半车模型，确定平顺性评价指标，使用量子遗传算法在 C 级路面白噪声输入下对其进行优化，通过多次计算进行对比，并在不同环境下验证了优化效果。结果表明： 量子遗传算法能有效逼近最优值，算法具有较好的稳定性，优化后越野车的平顺性得到了提高。

关键词：油气悬架; 机械弹性车轮; 平顺性; 量子遗传算法

为使车辆适应恶劣的行驶环境，其平顺性及操纵稳定性的改善具有十分重要的意义。本课题组研究的一种机械弹性车轮，由于拥有较大的侧偏刚度，能增强车辆在复杂路面下的操纵稳定性，但由于其大径向刚度特性导致了平顺性的不足。为保证该种车轮的实际应用效果，需要进行悬架优化。而油气悬架的非线性刚度与阻尼特性能较好地改善车辆的平顺性，被广泛地用于越野车、高级轿车以及工程、军事车辆中。二者的结合对提升车辆性能意义重大。本文以某越野车为例，建立了包含机械弹性车轮与油气悬架的半车模型，在此基础上，以提升平顺性为优化目标确定优化参数，利用量子遗传算法对油气悬架参数进行了多目标、多参数的优化设计，并对优化结果进行了分析。

1 机械弹性车轮

本文所采用的机械弹性车轮。该车轮主要由轮毂、车轮外圈及连接二者的12 个铰链组组成。经仿真分析与实车实验研究后，得知其拥有的大侧偏刚度保证了车辆的操纵稳定性，但是其相对于子午线车轮较大的径向刚度会对车辆的平顺性产生不利影响。

2 车辆平顺性仿真模型

2.1 单筒式油气弹簧

油气弹簧是在膜式空氣弹簧的基础上发展而来的，是油气悬架的核心部件。本文所研究的一种单筒式油气弹簧，它将气室置于活塞杆内部，使得结构更加紧凑。其工作原理是通过气室内的惰性气体的压缩与膨胀缓和冲击，通过活塞与油腔内的油液流动衰减振动。

2.2   4 自由度半车模型

为提高优化计算的效率，同时考虑车辆前后悬架的差异，本文通过建立一种 4 自由度半车模型对油气悬架进行平顺性优化。

2.3 路面白噪声输入

现阶段主要采用路面的功率谱密度来描述研究车辆振动时路面不平度的统计特性。

2.4 车辆装配机械弹性车轮与普通子午线轮胎的平顺性对比

为验证机械弹性车轮是否对车辆平顺性造成负面影响，分别使用机械弹性车轮与普通子午线轮胎在不同等级路面下进行仿真实验，这里采用的子午线轮胎径向刚度为 320 450 N /m，平顺性指标为垂向振动与俯仰振动的加权加速度均方根值。

3 油气悬架设计参数优化

3.1 量子遗传算法

遗传算法具有极高的鲁棒性，被广泛应用于各个领域的研究。但 GA 容易出现迭代次数多，或陷入局部极值等问题。因此研究者们对 GA 进行了一系列的改进。

量子遗传法是一种将量子计算机与 GA 结合的概率进化算法。QGA 将量子的态矢量表达引入遗传编码，利用量子逻辑门实现染色体的演化，由于采用量子比特编码的染色体可以表达多个态的叠加，相较于常规 GA 具有更高的多样性，不易陷入局部极值，且能更加逼近全局极值。

3.2 约束条件

边界条件用于规定个体基因表达的范围。设计单向阀时需要考虑它与活塞的的相互布置位置。同时，由于是内置式气室，故初始充气体积应小于活塞杆内腔体积。由于使用了小孔节流公式，故等效阻尼孔面积的选取不能太大。中间变量以罚函数的形式在算法中表现约束力。

4 优化结果分析

4.1 优化对比

为保证量子遗传算法结果的可靠性，使用相同的初始参数进行了 3 次优化运算，优化结果如表1所示。由表1可知，量子遗传算法多次优化结果之间的差异性在 1% 左右，说明该算法较为稳定。选取其中综合优化效果最好的第 1 次优化结果进行研究，结果显示： 优化目标绝对值在刚开始计算的时候迅速下降，在 100代左右达到最优值附近，并在之后趋于稳定。

4.2 优化结果

由表1可知，第 1 次优化后，总的优化目标、垂向振动加权加速度均方根值、俯仰振动加权加速度均方根值、前后车轮动载荷分别改善了29.3% 、21.3% 、51.1% 、23.5% 、4.98% ，越野车的平顺性得到了较大幅度的提升。优化前后的各参数参数如表 2 所示。

将表中数据代入模型中进行计算，得到优化前后质心垂向振动加速度、俯仰振动加速度、车轮载荷对比得知，优化后车辆的平顺性得到了改善。

4.3 优化效果验证

优化时使用的路面条件为 C 级路面，车速为20 m / s。油气悬架优化后，在不同的路面条件及车速下进行效果验证，取平顺性的重要评价指标，即垂向振动及俯仰振动的加权加速度均方根值来进行效果比较。验证结果如表3所示。

由表3 可知： 不管在怎样的路面条件及车速下，优化后的平顺性都要优于优化前。优化后俯仰振动均有大幅度改善。除在 D 级路面 25 m / s的车速下之外，其他条件下都将垂向振动加权加速度均方根值降至 1 以下，达到了使用优化前油气悬架的子午线轮胎车辆的平顺性水平，人的主观感受为“有一点不舒适”（ 0.315-0.63） 到“不舒适”（ 0.5 -1） 之间。由于忽略了座椅的减震性能，故实际给人的主观感觉会更好，符合平顺性的要求。而对于 D 级以上路面，则可通过适当降低车速来保证平顺性。

5 结束语

机械弹性车轮的大径向刚度特性会导致车辆平顺性的降低。通过建立车辆平顺性仿真模型，对在 C 级路面白噪声输入下以 20 m / s 车速行驶的装配机械弹性车轮的越野车进行平顺性优化，结果表明： 各平顺性评价指标皆得到了改善，优化后符合平顺性要求。可见量子遗传算法用于油气悬架的多目标优化设计较好地完成了任务，具有一定的可行性。

参考文献：

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