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基于车辆平顺性的悬架设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

随着人们的生活水平越来越高,对出行工具的舒适程度也提出了更高的要求。汽车,作为人们日常生活中不可缺少的一部分自然也是如此,因此,提高汽车行驶的平顺性即提高汽车悬架与整车的匹配程度便显得尤为重要。作为汽车中最为重要的总成之一的悬架,其自身性能直接关系到整车的行驶平顺性。

本文以东风风神轿车为原型车,从悬架的选型开始,进行悬架的参数确定、计算以及校核,建立了悬架中部分零件的三维模型,同时利用ADAMS软件,对已经设计好的悬架进行进一步的设计优化,得到与整车更为匹配的悬架。

本文介绍了一种运用ADAMS仿真软件优化悬架参数的方法,可以为后续的学者提供参考,研究的结果表明,对于前轴轴荷较大的轿车,在计算所得理论值的基础上,若适当减小前悬架减震器弹簧刚度,增大后悬架减震器弹簧刚度,则可以得到比理论值更好的整车平顺性。

关键词:悬架选型,参数计算,ADAMS仿真优化

Abstract

With the improvement of people's living standard, the requirement for comfort of travel tools is becoming higher and higher. As an indispensable part of people's daily life, automobiles are naturally the same. Therefore, it is particularly important to improve the ride comfort of automobiles, that is, to improve the matching degree between suspension and vehicle. Suspension, as one of the most important components of automobile, its performance will directly affect the ride comfort of the vehicle.

Taking Dongfeng Fengshen as the prototype vehicle, starting with the selection of suspension, the parameters of suspension are determined, calculated and checked, and the three-dimensional model of some parts in suspension is established. At the same time, the suspension that has been designed is further optimized by using ADAMS simulation software to obtain a more suitable suspension for the whole vehicle.

This paper introduces a method of optimizing suspension parameters by using ADAMS simulation software, which can be used as a reference for subsequent scholars. The research results show that for cars with larger front axle load, if the spring stiffness of front suspension shock absorber is appropriately reduced and the spring stiffness of rear suspension shock absorber is increased, the vehicle ride can be better than the theoretical value.

Key words: suspension type selection, parameter calculation, ADAMS simulation optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究的背景以及意义 1

1.2 车辆悬架平顺性的研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 悬架的发展趋势 3

1.3.1 被动悬架 3

1.3.2 半主动悬架 4

1.3.3 主动悬架 4

1.4 本文的主要研究内容及方法 4

1.4.1 研究内容 5

1.4.2 研究方法 5

1.5 本章小结 6

第2章 车辆悬架概述及设计与平顺性评价方法 7

2.1 车辆悬架概述 7

2.1.1 车辆悬架系统的作用、定义以及性能要求 7

2.1.2 车辆悬架的基本组成 8

2.1.3 汽车悬架的类型 12

2.2 悬架系统的设计方法 18

2.3 平顺性定义及其评价方法 19

2.3.1 汽车平顺性的定义 19

2.3.2 人体对振动的反应 19

2.3.3 人体振动评价 19

2.4 本章小结 20

第3章 动力学理论及ADAMS软件介绍 21

3.1 动力学理论简介 21

3.1.1 多体系统 21

3.1.2 多体系统动力学 21

3.1.3 多体动力学的研究方法 22

3.2 ADAMS软件及ADAMS/Car模块介绍 22

3.2.1 ADAMS软件简介 22

3.2.2 ADAMS/Car模块介绍 23

3.3 本章小结 24

第4章 悬架的选型与设计计算 25

4.1 悬架的结构形式选择 25

4.2 前轮定位参数的选取 25

4.3 车辆悬架系统阻尼的选取 26

4.4 悬架弹簧以及减震器设计 26

4.4.1 悬架主要参数的确定 26

4.4.2 悬架及弹簧刚度的设计 28

4.4.3 减震器的设计 29

4.4.4 螺旋弹簧设计 31

4.4 本章小结 33

第5章 悬架部分零件三维模型的建立 34

5.1 悬架部分零件三维模型的建立 34

5.1.1 前悬架减震器弹簧 34

5.1.2 后悬架减震器弹簧 35

5.1.3 横向稳定杆 37

5.1.4 横摆臂 38

5.2 本章小结 41

第6章 利用ADAMS进行整车平顺性的仿真优化 42

6.1 随机路面模型的建立 42

6.2 悬架减震器弹簧刚度的仿真优化 43

6.2.1 减震器弹簧刚度理论值的整车仿真 43

6.2.2 减震器弹簧刚度的仿真优化 47

6.3 本章小结 50

第7章 总结与心得体会以及展望 51

7.1 文章总结 51

7.2 心得体会 52

7.3 展望 53

参考文献 55

致谢 56

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景以及意义

1885年,工程师卡尔.奔驰设计建造了世界上第一个单缸四冲程内燃机以及一辆三轮汽车,在1886年,这项发明获得了专利。1886年,德国工程师戴姆勒把其制造的单缸四冲程内燃发动机装在了一辆改装的马车上,制成了世界上第一辆汽车,因此,人们将1886年定为汽车诞生元年,自此,汽车作为一种全新的生产生活工具开始与我们的生活息息相关。世界从此被装上了车轮,开始了全新的发展速度。不得不说,汽车的出现,极大的方便了人们的日常出行,消除了人类自古以来对距离的恐惧感。

随着人们的生活水平越来越高,对出行工具的舒适程度也提出了越来越高的要求。汽车,作为我们生活中不可或缺的重要工具自然也是如此,因此,提高汽车行驶的平顺性即提高汽车悬架与车辆的匹配程度便显得至关重要。

当前,汽车的电动化已成为汽车行业不可扭转的趋势,可以极大的降低汽车排放,对于改善环境以及提高城市空气质量具有非常重大的意义。不过,汽车的电动化也给汽车的设计者带来了新的难题,悬架的设计者自然也不例外。当前的电动汽车设计无非有两种途径:一,改装设计,将原内燃机车型中安置的发动机及其相应组件与传动系统由功率转换器、电动机、电动汽车特有的传动装置以及电池所取代。这样便会导致电动汽车的车身质量相应增大,质心位置也相应改变,故而悬架与车身的匹配程度将会大大降低,需要重新对悬架进行仿真校核,以重新获得最优的参数;二,开发设计,抛弃传统汽车的束缚,重新设计汽车的悬架及其他部件,以更好的匹配电动汽车。因此,悬架的设计不论是对汽车乘坐舒适性的改善,还是对汽车行业的转变都具有十分重要的意义。

正是基于此背景,本文将基于东风风神轿车车型,进行悬架的选型,计算以及校核,最后利用ADAMS仿真软件,对悬架进行仿真优化,完成悬架的设计。希望通过本次课题的进行,可以提高自己的悬架设计能力,同时对后续的悬架设计者能有一些指导作用。

1.2 车辆悬架平顺性的研究现状

1.2.1 国外研究现状

世界上发达国家在车辆悬架动力学和运动学方面的研究开始的很早。1956年,Segel等人创建了“线性三自由度”与“线性二自由度”的悬架模型;随着在汽车动力学方面越来越深入的研究,美国与日本分别在60年代末、70年代初建立了多自由度非线性的悬架动力学模型。自上世纪九十年代起,随着计算机的不断发展,国外开发了多款仿真软件,如ADAMS和DADS等,用于汽车悬架系统的仿真计算。

在2009年,Kazuyuki Okada把其发开的结构与控制器的设计程序应用在汽车悬架结构和底盘的控制中,用整车系统发生不可接受行为的概率构造随机性能指标,并且优化了设计参数,进而优化了汽车的操纵稳定性。在2013年,M.Mahmoodi-Kaleibar分析了路面的不平度和转向角引起的几何参数的变化,采用遗传算法对悬架系统参数进行优化。使得悬架系统的悬架外倾角变化更小,有效的改善了汽车的悬架性能。在2015年,Muhsin Khan运用了最优保能控制器,将紧急转向、轮胎压力损失和车辆在不同路面上的附着力变化等不确定的因素描述具有概率测度的随机现象,使用鲁棒控制的方法来提高车辆悬架的性能[1]

而自2017年荷兰新政府发布将在2030年禁售燃油车的计划之后,连德国这样的传统汽车工业强国都发布了自己的燃油车禁售计划,因此,国外对于悬架系统与新能源汽车的匹配与控制策略也在进行深入研究。

总而言之,国外对于悬架系统的研究还是非常深入的,并且研究的时间也是很久的。

1.2.2 国内研究现状

由于近代我国的一些历史原因,在科技方面与欧美等主要发达国家相比还是有一定的差距,对于车辆平顺性的研究,我国的起步时间也较晚。初期,我国提出的汽车平顺性的评价指标与评价方法都比较初略,自改革开放以来,依赖于我国良好的政策环境,有很多的专家学者在汽车的行驶平顺性方面取得了很大的成就。长春一汽研究所以及我国众多的知名高校共同制定了对我国适用的汽车行驶平顺性的评价方法与评价指标GB/T4970-2009《汽车平顺性随机输入行驶实验方法》。

自上世纪80年代以来,多刚体系统动力学的方法被我国的部分院校先后引入到了悬架运动学以及动力学的研究当中,这其中,运用多体动力学进行车辆的悬架动力学和运动学的研究较多的知名院校有合肥工业大学、吉林工业大学、同济大学、北京理工大学、上海交通大学、清华大学等。现在,研究的领域也从最初的刚体系统的动力学与运动学发展到了包含柔体的系统动力学以及运动学的研究。此外,众多研究人员的研究成果为我国汽车工业的发展做出了巨大的贡献[2]

在2012年,黄菊花、闫雪等人在ADAMS/Car中对钢板弹簧式悬架进行了建模,并对电机总成和动力锂离子电池所引起的载荷分配和结构变化对整车平顺性的影响进行了分析,优化了底盘的布置方案,对载荷进行了更加合理的分配,提高了车辆的悬架性能。在2014年,张学艳、张文明等通过ADAMS和ADESIM的联合仿真分析了质心位置对汽车平顺性的影响,并做了进一步的优化,提高了悬架的性能。2015年,王锐,苏小平等人运用Insigh模块对车轮的定位参数进行了灵敏度和回归分析,并且通过与MATLAB的联合仿真来对悬架的各个硬点参数进行相应调整,使悬架的操纵稳定性与平顺性都有了较大的提升。

自荷兰新政府于美国时间2017年10月10日提出将于2030年完全禁售传统内燃机车以来,挪威、德国、英国、印度等国家都相继发布了自己的传统内燃机车禁售计划,我国近年来也在极力推进纯电动、油电混动这些新能源车的发展,因此,目前悬架与电动汽车等新能源汽车的结合是车辆悬架研究的重要方向。目前,我国的科研人员在轮毂电机驱动的电动汽车悬架系统振动控制方法,纯电动汽车的复合制动与主动悬架系统的协同控制以及纯电动汽车的主动悬架电磁减震器控制等方面都取得了很大的进展,这些成果推进了纯电动汽车的技术进步与普及。一些我国的民营企业例如长城、吉利等企业发展突飞猛进,在新能源汽车方面的研发投入也越来越大,为我国的汽车行业的发展做出了十分重大的贡献,我国企业中的悬架平顺性的研究已经处于世界先进水平。

1.3 悬架的发展趋势

随着人们生活水平的不断提高,当下人工智能的迅速发展,当前气候变化的大背景,以及人们对汽车提出的越来越高的要求,拥有安全、清洁、智能等性能的悬架将会是未来车辆悬架发展的趋势。

1.3.1 被动悬架

被动悬架是最为传统的悬架,其自身的阻尼与刚度均是在生产加工制造过程中已经确定好的值,不能调节,按照随机振动的理论,它只能够保证车辆在特定的路况下才能够有较好的平顺性。不过对于被动悬架,由于历史悠久,因此其理论成熟,并且结构简单,性能非常的可靠,并且成本不高不需要额外的能量,依靠自身便能够工作,因而应用非常广泛。在我国目前的阶段,其研究价值还是很高的,目前对于被动悬架的研究主要有如下几个方面:首先对整车进行受力分析,搭建起数学模型,而后运用有限元分析方法或者计算机仿真技术来找出悬架的最优参数,完善悬架性能;研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减震器,使得悬架在大部分的路面上都能够保证汽车具有非常好的平顺性与操纵稳定性;研究悬架的导向机构,在满足车辆平顺性要求的前提下,使稳定性可以有非常大的改善。

1.3.2 半主动悬架

半主动悬架是介于主动悬架与被动悬架之间的一种悬架结构,相对于主动悬架,其成本较低,相对于被动悬架,其自身的性能要比被动悬架好。目前对半主动悬架的研究主要是如下两个方面,执行器与执行策略的研究。关于阻尼可调式减震器主要有两类,一类是通过改变节流孔的大小来改变阻尼;另一类是通过改变减震器阻尼液自身的粘性来改变阻尼。节流孔大小的调节一般是通过电磁阀或者步进电机来进行有级式或者无级式的调节,这种调节方法成本较高,并且结构复杂。而通过改变减震器液的粘性来改变阻尼,具有成本较低、结构简单、无冲击和噪音等优点,因此,这种调节方法是目前该领域的主要研究和发展方向。

1.3.3 主动悬架

汽车主动悬架的研究也是主要有两个方面,主动悬架的可靠性还有执行器。主动悬架系统中,由于包含有大量的单片机、传感器等各种元器件,还有各种接口,因此使悬架的可靠性降低,因此,对于主动悬架,增大元器件的集成程度,是一个很重要的发展趋势。这点和计算机的发展历史比较类似,最初的计算机元器件的集成度太低,因此故障率很高,可靠性低,当近现代大规模以及超大规模电路技术应用到电脑之后,电脑的可靠性很高,成本也降低了很多。可见,当主动悬架元器件的集成度变高之后,成本也较低,有利于主动悬架的普及。关于主动悬架的执行器,主要的研究方向是使用电动器件来逐步取代液压器件。电气动力系统中的永磁直流直线伺服电机与直线伺服电机具有较多的优点,代替液压执行机构是必然趋势。基于电磁蓄能的原理,结合参数自动控制器,可以设计出低功耗高性能的电磁蓄能式自适应主动悬架,将会有利于主动悬架系统的普及。

综上所述,随着技术的不断进步,主动悬架的应用将会越来越广泛。

1.4 本文的主要研究内容及方法

1.4.1 研究内容

本文的悬架设计主要基于东风风神轿车进行,在进行设计时,参考了众多的有关东风风神车型的数据。

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