一种电液主动转向系统及其多学科优化方法
专利汇可以提供一种电液主动转向系统及其多学科优化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种电液主动转向系统及其多学科优化方法，该系统包括机械传动模 块 、电动助 力 模块、液压变传动模块及控 制模 块。ECU输出 信号 控制助力 电机 输出转矩，通过安装在 转向轴 上的减速机构对系统执行助力；ECU还 输出信号 分别控制 液压 泵 驱动电机 和比例换向 阀 工作，改变转向直拉杆 液压缸 活塞 两侧油压，从而改变前轮转 角 。针对该系统提出一种多学科优化方法，综合考虑 汽车 动力学、结构轻量化、振动与噪声以及 能量 消耗等多个学科之间的复杂耦合关系，对系统关键参数进行多学科优化，降低系统总体优化计算量，提高最优解的搜索能力和收敛速度，缩短设计周期。，下面是一种电液主动转向系统及其多学科优化方法专利的具体信息内容。
1.一种电液主动转向系统，其特征在于，包括：机械传动模块、电动助力模块、液压变传动模块及控制模块；
所述的机械传动模块包括依次连接的方向盘、转向轴、循环球转向器、转向摇臂、转向直拉杆、转向梯形及车轮；
所述转向直拉杆包括液压缸、活塞、直拉杆；
所述液压缸的外壳通过转向摇臂与循环球转向器输出端固定连接，外壳上开设有进油口和出油口；所述活塞装配在上述液压缸内，活塞两端固定安装直拉杆，直拉杆后端连接转向梯形及车轮；
所述的电动助力模块包括助力电机及减速机构；所述减速机构安装在机械传动模块转向轴上，所述助力电机输出的转矩经减速机构作用，通过转向轴传递至循环球转向器；
所述的液压变传动模块包括储油罐、液压泵驱动电机、液压泵及比例换向阀；
所述液压泵驱动电机连接液压泵，储油罐中的低压油经液压泵作用后转换为高压油并流向比例换向阀；
所述比例换向阀分配高压油方向和流量大小，通过油管和上述液压缸相通，改变活塞两侧的压力大小，驱动活塞相对液压缸运动；
所述的控制模块包括ECU及与之电气连接的转角传感器、转矩传感器、车速传感器、横摆角速度传感器；
所述转角传感器安装在方向盘上，转矩传感器安装在转向轴上；
所述ECU接收驾驶员输入的方向盘转角信号、转矩信号以及汽车行驶过程中的车速信号和横摆角速度信号，经过计算输出三个控制信号，分别驱动助力电机、液压泵驱动电机和比例换向阀工作。
2.一种电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，基于上述电液主动转向系统，包括如下步骤：
1)根据多学科分解理论，对电液主动转向系统进行多学科分解，并对分解出的子系统建立相应目标；系统级为汽车动力学，子系统包括：子系统一：结构轻量化；子系统二：能量消耗；子系统三：振动和噪声；各个子系统之间耦合在一起，综合影响电液主动转向系统性能；
系统级以转向路感和转向灵敏度为评价指标；子系统一从减轻汽车质量角度，对转向系统进行轻量化设计；子系统二考虑电机能量消耗、液压泵能量消耗，对转向系统进行节能设计；子系统三分析方向盘模态、转向轴的弯曲模态和扭转模态，减轻转向系统振动和噪声；
2)建立学科模型：通过分析子系统之间参数耦合关系，确定设计变量为：液压泵长轴半径R、助力电机转动惯量Jm、减速机构传动比N、转向轴刚度K、直拉杆质量M、比例换向阀等效阻尼系数B；根据子系统约束条件和对应的目标，分别建立三个子系统的学科优化模型；
3)DOE设计：通过DOE试验设计方法，制定电液主动转向系统试验方案，在设计变量变化的范围内均匀选择N1组设计样本；
4)对子系统进行仿真分析，并采用自适应模拟退火算法对分解出的各子学科进行子系统级优化设计，根据得到的结果，设计系统级优化模型的优化变量初始值和取值范围；
5)加载仿真数据，采用三阶多项式拟合，并构建子系统所考察的目标响应量对应的响应面模型；输入参数为N1组设计样本经过子系统优化的仿真结果，输出参数为N1组电液主动转向系统对应的设计变量数值；
6)对拟合出的响应面模型进行精度检验，计算多元相关系数R2和相对均方根误差RMSE作为响应面精度验证的准则，若计算结果满足多元相关系数大于0.96，相对均方根误差小于0.2，则执行下一步骤7)，否则返回步骤5)；
计算公式为：
其中，N1为试验设计域内样本数量，ki为仿真得到的真实响应值，为真实响应值的平均值，为响应面预测值，RMSE表示响应面的精度，Qc为样本回归偏差平方和，Qs为样本总偏差平方和；
7)系统级多学科优化
根据子系统级优化得到的结果，设计系统级优化模型的优化变量初始值和取值范围，系统级优化目标考察汽车动力学，保证汽车行驶过程中的转向灵敏度和驾驶员操作路感，设定约束条件，并采用NSGA-Ⅱ算法对系统级多目标优化设计；
8)根据系统优化结果，选择满意解，若满足条件，则输出优化设计最佳参数，否则返回步骤3)。
3.根据权利要求2所述的电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤
2)建立的三个子系统的学科优化模型为：
2.1)建立结构轻量化a子系统优化模型：
2.2)建立能量消耗b子系统优化模型：
2.3)建立振动和噪声c子系统优化模型：
4.根据权利要求2所述的电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤
3)制定系统试验方案时，考虑材料应力、延伸率、抗拉强度、弹性模量的特性，采用高性能电子拉力试验机，对直拉杆进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离及撕裂的试验，获取直拉杆材料力学性能基础数据。
5.根据权利要求2所述的电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤
4)中子系统级优化采用自适应模拟退火算法，步骤包括：
4.1)算法参数初始化：
定义终止状态参数Fend，温度变更次数k，子领域数量为N，内循环参数j，温度参数Tk，终止值F0，领域搜索次数Lk，降温系数s，终止检验条件ε； 表示在温度Tk下第j个领域的搜索次数， 表示在温度Tk下第j个领域的更新移动次数, 表示在温度Tk下第j个领域的允许移动次数；参数的初始值设定为：
4.2)对每一领域j∈N进行领域搜索求解：
4.2.1)设初始解集为S0，产生初始解xk∈S，令xs＝xk∈S0；产生初始领域解x∈N(xk)，计算E1＝f(x)-f(xk)；E2＝f(x)-f(xs)；若δ1＜0，则 若δ2＜0，则xs＝xk；
否则，若exp(-E1/Tk)＞random(0,1)，则xk＝x，
4.2.2)若 则 重复步骤4.2.1)，产生新的领域解；
4.2.3)若所有领域搜索完毕(j≥|N|)，转步骤4.3)；否则，j＝j+1，转步骤4.2.2)；
4.3)算法终止判定：
4.3.1) Fend＝Fend+1；
4.3.2)如果Fend＞F0算法就会终止，从而输出解xs；否则转步骤4.4)；
4.4)参数自适应控制：
4.4.1)计算模拟退火温度控制系数：
4.4.2)计算实际退火温度：
其中，开关温度控制函数为：
4.4.3)计算搜索的次数和领域搜索强度；
4.4.4)令k＝k+1，转步骤4.2)。
6.根据权利要求2所述的电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤
5)中采用三阶响应面模型表达式如下：
式中：x为输入变量，y为响应值，b为根据Kriging插值法得到的回归系数。
7.根据权利要求2所述的电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤
7)建立的系统级优化模型为：
其中，G1(X)为转向路感，G2(X)为转向灵敏度，采用频域能量衡量目标函数大小，表达式如下：
式中：ω0为路面有效信息频率，Th为转向输入力矩，Tr为转向阻力，ωr为横摆角速度，θh为转向盘转角，Th、ωr为设计变量R,Jm,N,K,M,B耦合在一起的函数。
8.根据权利要求2或7所述的电液主动转向系统的多学科优化方法，其特征在于，所述步骤7)中的NSGA-Ⅱ算法包含虚拟适应度函数的选择；计算虚拟适应度具体步骤如下：
7.1设定初始种群中位于同一层的个体之间距离：L(i)d＝0；
7.2对位于同一层的个体，设m＝1对应转向路感目标函数G1(X)，m＝2对应转向灵敏度目标函数G2(X)，根据第m个目标函数计算出对应的函数值并进行升序排列：L＝sort(L,m)；
7.3给定一个大数L[0]d＝L[i]d＝Max，使经过排序后边缘上的个体具有选择优势；
7.4对排序后处于中间位置的中间的个体，求每个个体与同层相邻两个体之间的局部拥挤距离L[i]d＝L[i]d+L[i+1]m-L[i+1]m；
7.5针对转向路感和转向灵敏度两个目标函数，按照预设的种群繁殖代数重复步骤
7.2-7.4，局部拥挤度大的个体作为最优个体予以保留，剔除其余个体。
一种电液主动转向系统及其多学科优化方法
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