优化设计在汽车行业的应用*

郝悦 夏奎 段云娇 马洋洋

（长安大学）

优化设计应用了最优化相关理论和计算机科学算法与基础知识等，是工程设计当中一种非常重要的设计方法。为了能够提高设计效率并且改善设计质量，应合理利用优化设计的方法和理论，从而能够科学地比较各种设计方案，从中选择出综合性最好的设计方案。优化设计应用到汽车产品上会带来很大的经济和社会效益，并减少生产成本。前人对此已经利用CAD和CAE等软件及有限元和模态分析等方法得到了很多的研究成果，其中包括对于整车、发动机、底盘、车身及电器等大方面，也包括对转向盘和后视镜等小方面。但是总的来说，并没有一个较为综合的研究成果。因此，文章通过一个综合的表述说明了优化设计在汽车行业的应用，有利于读者全面地了解优化设计与汽车的相关性。

1 优化设计的介绍

优化设计是一门多学科交叉的学科，它包括对所要达到的优化目标建立数学模型，从中选择设计变量和目标函数，同时整理出设计问题；也包括优化方法和计算程序，建立怎样的数学模型及在建立数学模型后怎么计算。一般的优化设计是在目标函数给定的情况下，求解模型中的最优值。

2 优化设计在汽车行业的应用

2.1 汽车发动机的优化设计

目前，应用到发动机上的优化方法为有限元方法。采用有限元的方法可以对计算机辅助设计进行分析计算，能够达到优化发动机整体与零部件的强度、减轻振动、降低噪声及提高寿命与可靠性的目的。发动机优化设计中也采用流体力学的方法，主要是对发动机使用过程中的优化，包括发动机燃烧过程中如何形成混合气以及采取怎样的燃烧方式和燃烧数值等。如在发动机燃烧喷射这部分，依靠发达的电子技术对其进行管控，即控制喷油定时和次数，以便更加精确地调节燃油的供应，更加充分地利用发动机所产生的能量，还可把握气缸内的综合状态和燃烧室内的燃油排布，以降低排放污染。在电喷汽油机进气歧管处，合理地设计电喷汽油机进气歧管并配以合适的配气正时、气门升程及排气系统等，可以有效地利用进气动态效应，提高发动机的充气效率[1]。

2.2 汽车传动系统的优化设计

对汽车传动系统的优化，能够使汽车的传动性能、燃油经济性及操纵稳定性得到很大程度的改善，提高汽车的舒适性。在对汽车的优化过程中，应该把汽车的运行工况（如空载或满载）作为一个考虑因素，并考虑这些工况对汽车燃油经济性和动力性的影响。1）良好的汽车动力性是通过汽车传动系统的优化，即改变汽车传动系传动比来实现的[2]。2）通过增加汽车传动系统中变速箱的挡位数，可以使汽车的燃油经济性得到提高。增加了变速箱的挡位数，即增加了选用合适的变速箱挡位使发动机处于最佳经济工作状况的机会，从而提高了汽车的燃油经济性。

2.3 汽车行驶系统的优化设计

汽车的行驶系统是由悬架、车架、车桥及车轮等部分组成，其主要影响汽车的操纵稳定性及行驶平顺性。而悬架系统中的弹性特性和阻尼对汽车行驶平顺性的影响很大。

具有线性弹性特性的汽车，在使用中其车身振动的固有频率将随装载的多少而改变，尤其是后悬架载荷变化很大的货车和大客车，这种变化将使汽车前后悬架的频率相差过大，由此导致汽车车身的猛烈颠簸（纵向角振动），使汽车行驶平顺性变坏[3]。为此，可采用一种变刚度的悬架，这种悬架是非线性弹性的，也就是说，随着载荷的变化，悬架的刚度也发生变化。这样可以使得车身在振动时保持固有频率，进而使得汽车在行驶过程中保持良好的平顺性。此外，可以采取适当的措施对悬架进行轻量化设计，同时对轻量化改进后的车架进行有限元强度、刚度及模态分析，以满足行驶工况要求下对行驶系统各个部分的轻量化设计。整个系统的轻量化设计可以提高一定的燃油经济性。

2.4 汽车转向系统的优化设计

汽车的转向系统决定了汽车的驾驶舒适性并影响着操纵稳定性。如转向盘振动问题主要是由激励源激励，经由传递路径传递到转向盘引起的。其中产生较大振动的原因是转向盘的固有频率在与激励频率耦合时会产生共振，这直接影响驾驶员的驾驶舒适性。为避免转向盘的怠速共振，要求转向系统中转向盘的固有频率高于发动机的怠速激励频率[4]。具体优化设计方法有：通过减轻转向盘和主驾驶安全气囊的质量、减小转向盘的转动惯量及提高转向盘骨架刚度来提高转向盘的固有频率；同时对转向柱安装支架进行加宽、对支架的高度进行减小并且对加强筋的数量进行增加等，也可以提高转向盘的固有频率。

2.5 汽车制动系统的优化设计

制动性能是衡量汽车安全性能的一项重要指标，因此，对汽车制动系统优化方面的研究也相对较多。

在汽车制动系统的优化过程中，应该了解制动工作特点及工作原理，着重分析气压制动系统，对其进行全面优化分析。汽车制动系统中有很多关键部分，其中双腔制动阀是比较重要的控制部分，它可以将驾驶员的紧急制动信号从制动踏板信号转换为制动压力信号，然后传递到制动器主缸。双腔制动阀的优化应包括：1）对制动阀进行优化；2）对活塞环等的弹簧刚度进行优化；3）对制动阀工作过程中的压力循环间隙进行优化。制动阀在优化过程中应当保证管口的通气性，进而使得汽车的整个制动性能得到充分的发挥。在对汽车制动系统进行优化时，必须提升气压管路的效用以增加汽车制动压力，并确定制动压力极值与制动速度之间的对应关系，从而建立数学模型，对制动效果进行模拟设定[5]。

3 结论

综上所述，机械优化设计在汽车领域中有相当多的应用，文章从几个主要方面进行了优化分析，包括对于发动机的燃烧过程的优化以减少排放、对传动系挡位的设置以提高燃油经济性、对行驶系轻量化的研究以减少燃油的消耗、对转向系中转向盘固有频率的选择以提高操纵稳定性及对制动系中制动阀的优化以提高安全性等。这些优化可保证汽车产品在拥有相同或更好性能的条件下，实现减轻产品质量、减小零部件体积及降低生产和使用过程中的成本的目的；同时节约了汽车设计者的大量时间，极大地提高了设计效率。随着汽车行业的蓬勃发展，优化设计也会在汽车的更多方面得到应用，使汽车的价值得到不断的提高。