油氣彈簧懸架設(shè)計(jì)（含CAD圖紙?jiān)次募?/h1>

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It elastically links the frame(or body) with the axle(or wheel). Conventional suspension consists of elastic component, damper, guide device, buffer block and lateral stabilizer. This kind of suspension has simple structure and high reliability, which is widely used. However, it does have some inevitable disadvantages, e.g. the ground clearance of vehicles and the frequency of car body will change greatly when the load increases and the height of the front suspension and the rear suspension is not equal. Hydro-pneumatic suspension successfully overcomes these shortcomings. It has nonlinear stiffness and damping characteristics, which can keep the bias frequency at different loads. Besides, hydro-pneumatic suspension is able to lift or drop the car body by means of pumping or releasing the oil, therefore greatly improving the ride comfort and passing performance of the vehicle. Because of the incomparable advantages, the hydro-pneumatic suspension has developed rapidly in recent years, and its application rate on vehicle has also increased. In this paper, the suspension structure is used as the double wishbone independent suspension and the ADAMS software is used to determine the hard points of the suspension. Hydro-pneumatic spring is the essential component of the hydro-pneumatic suspension. Therefore, starting from the structural principle of hydro-pneumatic spring, the structure and characteristics of the damping valve system are studied in this paper. Based on the theoretical knowledge of fluid mechanics and engineering thermodynamics, mathematical models for nonlinear stiffness and damping characteristics of hydro-pneumatic springs are established. And by using MATLAB software, the feature simulation of the stiffness, damping have been completed. Keywords hydro-pneumatic suspension structural design feature simulation 目錄 目錄 第一章 緒論 1 1.1 課題研究背景及意義 1 1.2 油氣彈簧結(jié)構(gòu)及工作原理 2 1.2.1 單氣室油氣彈簧 2 1.2.2 雙氣室油氣彈簧 3 1.2.3 兩級(jí)壓力式油氣彈簧 4 1.2.4 油氣彈簧工作原理 5 1.3 油氣懸架的特點(diǎn) 5 1.3.1 油氣懸架的優(yōu)點(diǎn)[2] 6 1.3.2 油氣懸架的不足[2] 7 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 7 1.4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 7 1.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 10 1.5 國(guó)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題 13 1.6 雙橫臂懸架 15 1.7 本章小結(jié) 15 第二章 懸架主要參數(shù)的確定 17 2.1 懸架靜撓度[27] 17 2.2 懸架動(dòng)撓度[27] 18 2.3 懸架彈性特性 19 2.4 車輛懸架系統(tǒng)的阻尼匹配[28] 19 2.4.1 單輪二自由度懸架系統(tǒng)的頻響函數(shù) 20 2.4.2 車身垂直加速度均方值 21 2.4.3 基于舒適性的車輛懸架最佳阻尼比 22 2.4.4 基于安全性的車輛懸架最佳阻尼比 22 2.5 懸架的剛度設(shè)計(jì)[28] 23 2.5.1 剛度設(shè)計(jì) 23 2.5.2 剛度驗(yàn)證 23 2.6 懸架減振器的阻尼特性 24 I 本科生畢業(yè)論文 2.7 本章小結(jié) 26 第三章 雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 27 3.1 設(shè)計(jì)要求[27] 27 3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的布置[27] 27 3.2.1 側(cè)傾中心 27 3.2.2 縱傾中心 29 3.2.3 抗制動(dòng)縱傾性（抗制動(dòng)前俯角） 29 3.2.4 抗驅(qū)動(dòng)縱傾性（抗驅(qū)動(dòng)后仰角） 30 3.2.5 橫臂的空間定位角 30 3.3 上下橫臂軸的布置 31 3.3.1 縱向平面內(nèi)的布置 31 3.3.2 橫向平面內(nèi)的布置 32 3.3.3 在水平面上的布置 32 3.3.4 上下橫臂長(zhǎng)度的選擇 33 3.3.5 上下橫臂直徑與厚度的選擇 34 3.4 參數(shù)確定 36 3.5 本章小結(jié) 41 第四章 油氣彈簧設(shè)計(jì) 43 4.1 基本參數(shù) 43 4.2 氣室與液壓缸尺寸[30] 43 4.3 壁厚的計(jì)算 44 4.4 節(jié)流閥系的計(jì)算[2] 46 4.5 導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì) 49 4.6 端蓋厚度設(shè)計(jì) 50 4.7 連接螺釘?shù)倪x擇 50 4.8 連接體上的螺紋強(qiáng)度校核 51 4.9 本章小結(jié) 52 第五章 油氣彈簧數(shù)學(xué)模型的建立及仿真 53 5.1 油氣彈簧彈性特性模型 53 5.2 油氣彈簧初始?xì)鈮褐?55 5.3 油氣彈簧初始?xì)庵叨?55 5.4 油氣彈簧阻尼力模型 55 II 目錄 5.5 四分之一車輛模型 56 5.6 路面不平度時(shí)間域模型 58 5.7 MATLAB/simulink 仿真 61 5.8 本章小結(jié) 62 第六章 工藝分析[35] 63 6.1 浮動(dòng)活塞的用途 63 6.2 技術(shù)要求 63 6.3 分析工藝性 64 6.4 選擇毛坯 64 6.5 確定各表面的加工方案 64 6.6 加工階段的劃分 65 6.7 確定工藝路線 65 6.8 確定工序尺寸及加工余量 65 6.9 本章小結(jié) 67 結(jié)論 69 參考文獻(xiàn) 71 附錄 75 致謝 77 英文原文 79 中文翻譯 97 電算說(shuō)明書(shū) 111 III 第一章 緒論 第一章 緒論 1.1 課題研究背景及意義 汽車懸架，對(duì)于它的定義，不同文獻(xiàn)的描述不盡相同，但總的概括起來(lái)就是指連接汽車車架與車橋的裝置。其主要任務(wù)是傳遞作用力，即在車輪和車架 （或車身）之間的全部力和力矩；汽車在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，路面的凹凸會(huì)極大地沖擊車輪，進(jìn)而傳給車架。此時(shí)，若沒(méi)有懸架的保護(hù)，車架將會(huì)受到極大的損壞， 因此懸架可以保證汽車在行駛時(shí)可以做到足夠平順；保證汽車的操縱穩(wěn)定性， 使汽車獲得高速行駛能力[1]。不論汽車處在哪種狀態(tài)（起步、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、上坡、下坡、行駛），懸架都發(fā)揮著非常重要的作用。因此在任何車輛中，懸架都是非常重要的總成之一。 只不過(guò)，遺憾的是，汽車的行駛平穩(wěn)舒適性和操縱可靠穩(wěn)定性，這兩個(gè)性能他們對(duì)車輛懸架的命令是背道而馳的。平適性需要?jiǎng)偠刃〉膽壹埽欢俜€(wěn)性需要硬懸。所以，只有綜合考慮這兩個(gè)互成悖論的因素，才可以加強(qiáng)汽車懸架的整體性能。 本文主要進(jìn)行車用油氣彈簧的設(shè)計(jì)與分析和雙橫臂懸架參數(shù)的選定的研 究。油氣彈簧是油氣懸架首當(dāng)其沖的部件，它以氣體（一般為惰性氣體氮?dú)猓?作為產(chǎn)生彈性的物質(zhì)，而使用油液作為傳遞作用力的介質(zhì)。它一般是由氣體彈 簧和相當(dāng)于液力減振器的液壓缸所組成，這是在空氣彈簧的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它擁有車輛需要的較為理想的非線性剛度特性，良好的減震性能和比較完備的 調(diào)節(jié)功能，從而可以提高汽車的乘坐舒適性。 不僅如此，油氣懸架還可以通過(guò)充放油改變車身離地間隙來(lái)改善車輛的通過(guò)性，這對(duì)于在壞路面上行駛的越野車輛是至關(guān)重要的。目前，在國(guó)內(nèi)，油氣 1 本科生畢業(yè)論文 懸架還正處于科學(xué)研究階段，應(yīng)用到實(shí)際車輛上還較少。但是在國(guó)外，特別是歐美的一些國(guó)家，油氣懸架已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。 由于國(guó)內(nèi)引入國(guó)外的油氣懸架的時(shí)間比較晚（20 實(shí)際 90 年代），我們自主研發(fā)的油氣彈簧，其工作效能與國(guó)外的同類產(chǎn)品相比，還存在較大的差距。無(wú)論是其設(shè)計(jì)階段或是應(yīng)用到實(shí)際的過(guò)程中，都沒(méi)有形成系統(tǒng)，規(guī)范的通則。因此，完善油氣懸架系統(tǒng)的技術(shù)研究和在實(shí)際使用方面的技術(shù)是十分關(guān)鍵的。 1.2 油氣彈簧結(jié)構(gòu)及工作原理 油氣彈簧是以氮?dú)庾鳛閺椥晕镔|(zhì)，液壓油液作為傳遞作用力物質(zhì)。油氣彈簧的形式主要有單氣室、雙氣室以及兩級(jí)壓力式等幾種組成[2]。 圖 1.1 1.2.1 單氣室油氣彈簧 單氣室油氣彈簧又分為油氣分離式和油氣不分離式。 單氣室油氣分離式油氣彈簧 其結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示 上面和下面兩個(gè)半球形狀的容室構(gòu)成的球形氣室固定裝在工作液壓油缸上，球形氣體室的內(nèi) 腔用橡膠薄膜分開(kāi)，在上半球氣室內(nèi)充入高壓氣（多為氮?dú)猓?，下半球與工作缸則通過(guò)阻尼閥連通，在下半球內(nèi)也充滿了液壓油液。用于分離油液和氮?dú)獾姆蛛x膜可以保證工作液壓油不被氮?dú)馑榛乙惨子诰S護(hù)和保養(yǎng)[1] 。 2 第一章 緒論 單氣室油氣不分離式油氣彈簧 其結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示 其工作缸固定的安裝在車架上，而其活塞的下部與車輛的轉(zhuǎn)向節(jié)上端連接。油簧活塞內(nèi)腔以及活塞與工作缸壁間環(huán)形腔內(nèi)，都充滿著液壓油。而在管形活塞頭的上部也存在著一部分液壓油，而在該油層上方就是高壓氮?dú)馐遥?氣體和液壓油之間沒(méi)有分離膜。 圖 1.2 單氣室油氣彈簧的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，性能可靠，制造工藝也比其他形式的油氣彈簧簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。但是，單氣室 油氣彈簧在伸張行程中的剛度較低，這導(dǎo)致的懸架在跳動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)行程較大， 易使活塞碰撞到工作缸的底部，更有甚者，會(huì)使活塞從缸體中被拉出。 1.2.2 雙氣室油氣彈簧 圖 1.3 其結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示 具有兩個(gè)氣室的油氣彈簧，它與一個(gè)氣室的油簧相比多了一個(gè)具有相反作用力的反氣壓室和一個(gè)漂浮在氣體與油液之間的小活塞。當(dāng)油氣彈簧壓縮時(shí)，主氣室中的主活塞 向上運(yùn)動(dòng)，是得主氣室中的氣壓上升，彈簧的硬度增加，即彈簧的剛度增加了。而與此同時(shí)，在反氣壓室中的小活塞，在其容室氣壓力的作用下，會(huì)被迫向下走，使得處在其下方的液壓油經(jīng)過(guò)通道流入另一容室的下方，補(bǔ)充該容室中因活塞上移而產(chǎn)生的空間。當(dāng)油氣彈簧伸張時(shí)，主氣室的活塞下移，處在主活塞下方的油液經(jīng)過(guò)通道被壓入另一容室活塞的下端，并推動(dòng)小活塞向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致該容室的氣壓升高，從而大大提高了油簧在拉伸復(fù)原時(shí)的剛度。這種結(jié)構(gòu)可以防止油簧在伸張復(fù)原時(shí)，它的活塞與缸體底部發(fā)生接觸，甚至是撞擊。 3 本科生畢業(yè)論文 上述的一個(gè)氣室與兩個(gè)氣室的油簧，他們剛度變動(dòng)的程度并不是十分的理想，所以在油簧的載荷變化較大時(shí)，懸架系統(tǒng)的固有頻率還是會(huì)發(fā)生較大程度的變化。若要使車輛在空載和滿載時(shí)，它的懸架的固有頻率始終都能平穩(wěn)地保持在某一理想值的附近，則需要將油氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)大，這樣又會(huì)使得在車身下的布置困難。 1.2.3 兩級(jí)壓力式油氣彈簧 其結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示 與兩個(gè)氣室和一個(gè)氣室油簧相比，具有兩重壓力的油簧的最大相異點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)人員在它的活塞的上方設(shè)置了兩個(gè)并列的容積室，只不過(guò)兩個(gè)容積室的壓力設(shè)置得不一樣罷了。其主要容積室內(nèi)的氣體壓力設(shè) 圖 1.4 置得不算高，與一個(gè)容室油簧的氣室壓力相近，而次要容室中的氣體壓力則較高。由此可見(jiàn)，兩個(gè)并聯(lián)安 裝的容積室并不是同時(shí)開(kāi)始工作的。其作用相當(dāng)于鋼板彈簧的主副簧。在所受的載荷較小時(shí)，只有主氣室工作，其氣室的壓力隨著載荷的增加而上升。在某一時(shí)刻，當(dāng)油氣彈簧的載荷增加到使得主氣室內(nèi)的氣壓稍稍大于補(bǔ)償氣室壓力時(shí)，次要容室的工作才開(kāi)始。之后，若載荷繼續(xù)增加，則兩個(gè)氣室可以共同工作。 這種結(jié)構(gòu)使得油氣彈簧的剛度變化更能滿足懸架的需求，保證車輛在空滿載室的固有頻率基本保持不變。 4 第一章 緒論 1.2.4 油氣彈簧工作原理 如圖 1.5 所示，油氣彈簧由活塞桿、缸體、浮動(dòng)活塞和節(jié)流閥片組成。其 中，活塞桿為空心桿，其內(nèi)部空間被浮動(dòng)活塞分隔成內(nèi)部油腔和高壓氣室，外缸體又分為上、下油腔。當(dāng)活塞桿與缸體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 油液在上下油腔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其上下腔的體積 圖 1.5 差由氣室中的氣體的體積變化來(lái)補(bǔ)償。當(dāng)活塞桿和缸體之間產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，并且這個(gè)運(yùn)動(dòng)速度 也不大時(shí)，即油液的運(yùn)動(dòng)速度也較慢，此時(shí)上下腔中的油液通過(guò)阻尼閥的節(jié)流環(huán)縫，由流體力學(xué)中的知識(shí)可知，此時(shí)油液與縫隙之間會(huì)產(chǎn)生節(jié)流壓差，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生節(jié)流阻力；當(dāng)兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的程度較激烈，即運(yùn)動(dòng)的速度較大的時(shí)候， 此時(shí)油液的運(yùn)動(dòng)速度也較快，油液將會(huì)迅速的流過(guò)環(huán)縫，為了增大流量，油液使節(jié)流閥片彎曲，從而增大節(jié)流縫隙，當(dāng)活塞桿和缸體的相對(duì)速度達(dá)到一定值時(shí)，閥片向上向下的變形增加到等于其厚度時(shí)，阻尼閥便可以視作開(kāi)閥[3]。 1.3 油氣懸架的特點(diǎn) 油氣懸架已經(jīng)在許多不同型號(hào)的特種軍用車輛或工程機(jī)械車輛上得到了應(yīng)用，并極大的提升了車輛的各種性能。油氣彈簧具有非線性的剛度和阻尼特性，當(dāng)懸架所受的載荷增加時(shí)，懸架的剛度也會(huì)急劇增大，由此將會(huì)降低懸架碰到車架的可能性。這樣汽車的行駛平順性就可以得到保證。另外，現(xiàn)在也已出現(xiàn)了主動(dòng)油氣懸架，這種新型油氣懸架除了具有較為理想的非線性特性外， 還具備較為完善的調(diào)節(jié)功能，例如在空滿載時(shí)，都可以使得車輛的離地間隙保持不變等。 5 本科生畢業(yè)論文 1.3.1 油氣懸架的優(yōu)點(diǎn)[2] 1. 非線性剛度彈性特性。油氣懸架的剛度會(huì)發(fā)生變化，并且變化規(guī)律是非線性的，并且是漸增性的，這與其他普通螺旋彈簧懸架有所區(qū)別。當(dāng)汽車在較為平整的路上行駛時(shí)，輪胎受到的來(lái)自路面的激勵(lì)較小，而由此產(chǎn)生的懸架的動(dòng)撓度也不大，氣體被壓縮的程度也較小，所以剛度也小，汽車懸架較“軟”，即平順性好；但是當(dāng)汽車在較差的路面上行駛時(shí)，車輪受到的來(lái)自地面的激勵(lì)也大，因此懸架的動(dòng)撓度也大，氣體被壓縮的較多，其壓力就急劇上升，反應(yīng)出來(lái)的便是彈簧的彈性力非常大，剛度很大，可以吸收較多的沖擊，避免發(fā)生懸架碰撞到車架，即“懸架擊穿”。 2. 非線性的阻尼特性。油氣彈簧采用節(jié)流孔式或節(jié)流閥片式阻尼閥，這兩者的阻尼特性具有良好的非線性。其阻尼特性可以應(yīng)車輛要求，迅速的衰減車體的振動(dòng)。 3. 單位儲(chǔ)存能量比大。若油氣彈簧使用高強(qiáng)度鋼材作為缸體和氣室，可以將氣體的壓力上限提高到很大。在氮?dú)獬錃鈮毫?6 兆帕的條件下，油氣彈簧的單位質(zhì)量的存儲(chǔ)能量將很大，足足是普通鋼板彈簧的 3000 多倍，這樣的優(yōu)點(diǎn)將大大地減小懸架的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。 4. 車體調(diào)節(jié)。油氣彈簧可以進(jìn)行充放油的操作，當(dāng)與高度控制閥相結(jié)合時(shí)， 組成主動(dòng)油氣懸架，通過(guò)充油和放油可以控制車體高度和姿態(tài)的調(diào)整，這將使車輛的道路通過(guò)性得到極大的改善。并且，還可以單獨(dú)控制各個(gè)懸架的油氣彈簧，實(shí)現(xiàn)車身的前后高度控制或左右高度控制，這使得車輛在傾斜路面上行駛時(shí)，也可以保持車身的水平，減輕車內(nèi)人員的不適感。另外， 還可以改變油氣彈簧缸筒內(nèi)的油液量和氣室的初始?xì)鈮褐?，由此便可得到不同的非線性剛度特性，這樣可以滿足不同重量（噸位）的車輛的對(duì)懸架的要求。 6 第一章 緒論 5. 鎖閉功能。如上述提及的，在油氣彈簧中，油缸和儲(chǔ)能器（氣室）之間可以直接相連，但也可以用連接油路相連。在后者形式中，可以將缸筒與儲(chǔ)能器之間的連接油路掐斷，即在管路上增加一個(gè)截止閥，從而實(shí)現(xiàn)油氣懸架的閉鎖。閉鎖之后，油液便不會(huì)再壓縮氣體，而油液自身又可以近似看作不可壓縮，這樣整個(gè)懸架就相當(dāng)于一個(gè)剛體，不能被壓縮。這種特點(diǎn)， 對(duì)于軍用車輛和工程車輛十分重要。如導(dǎo)彈車發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，產(chǎn)生的后座力會(huì)使車輛的姿態(tài)發(fā)生很大的變化，嚴(yán)重影響導(dǎo)彈的發(fā)射精度，而剛性懸架將使車輛的姿態(tài)的變化控制在很小的范圍內(nèi)，從而保證射擊精度。 1.3.2 油氣懸架的不足[2] 油氣彈簧也并非沒(méi)有缺點(diǎn)，例如： 1. 油氣彈簧非線性的特性，雖然有可觀的效果，但是若要實(shí)現(xiàn)這個(gè)非線性特性需要一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)研究階段，要對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行特性分析和數(shù)學(xué)建模是十分困難的； 2. 主動(dòng)油氣彈簧中的油液和氣體的供應(yīng)，需要車輛加設(shè)一套供油和供氣裝置，如油泵、氣泵、各種控制閥等； 3. 由于油氣彈簧內(nèi)的氣體和油液的工作壓力很高，故大大增加了對(duì)缸體和氣室的密封要求，對(duì)其加工工藝的要求也很高。 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 自上世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，美國(guó)的威伯科最先開(kāi)始對(duì)油氣彈簧進(jìn)行研究工作。 并在 1952 年，法國(guó)的汽車公司雪鐵龍公司生產(chǎn)出了世界上第一輛搭配了油氣彈簧的汽車。至此，國(guó)外從事汽車研究的學(xué)者對(duì)油氣懸架進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)油氣彈簧的阻尼特性、非線性剛度特性、密封性能等進(jìn)行了改善。另外， 國(guó)外專家在油氣彈簧結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)研究也進(jìn)行了大量的工作，并且碩果累累。 7 本科生畢業(yè)論文 此后，從上世紀(jì) 60 年代中后期開(kāi)始，油氣懸架開(kāi)始逐漸投入到實(shí)際車輛中去， 并集中在賽車和轎車上。 目前，國(guó)外的研究方向主要集中在兩個(gè)方面： [1] 對(duì)油氣懸架的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完善和探索。 油氣懸架是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，以氣體為彈性元件，液體為傳力介質(zhì)， 要將這兩者的特性都統(tǒng)一到一個(gè)數(shù)學(xué)模型里，是十分困難的。高壓氮?dú)獾膲嚎s和膨脹，油液的節(jié)流阻尼，還有容器的塑形，油液不可忽略的壓縮性等都是十分復(fù)雜的。要將這些都?xì)w結(jié)到一個(gè)數(shù)學(xué)模型中，才能使懸架的模型能最大限度地符合實(shí)際。而現(xiàn)階段，在國(guó)外建立油氣彈簧數(shù)學(xué)模型的方法主要可以分為參數(shù)化和非參數(shù)化這兩種方法。通過(guò)對(duì)單氣室油氣彈簧深入研究，美國(guó)學(xué)者沃登較為全面的介紹了對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化和非參數(shù)化的方法。他指出，對(duì)油氣彈簧進(jìn)行參數(shù)化建模，該模型可以較為準(zhǔn)確地對(duì)油氣彈簧內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬， 并且可以對(duì)任何一個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，得出每個(gè)因素對(duì)油氣懸架系統(tǒng)的影響。但是，既然要對(duì)每個(gè)可能影響系統(tǒng)的參數(shù)都進(jìn)行描述，計(jì)算量十分巨大，這樣的方法必然會(huì)耗時(shí)耗力；而非參數(shù)化方法，計(jì)算量就相對(duì)減少了許多。利用這種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，研究者可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的情況全然不知，即將系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)“黑箱”，只要對(duì)它輸入可控信號(hào)，得出結(jié)果，利用試驗(yàn)的方法得到大量油氣彈簧的外特性數(shù)據(jù)后，再用一個(gè)函數(shù)來(lái)進(jìn)行擬合，從而得到其外特性數(shù)學(xué)模型。這個(gè)方法不要求研究者對(duì)油氣彈簧內(nèi)部各個(gè)因素的相互影響關(guān)系一清二楚，因此這個(gè)方法要相對(duì)簡(jiǎn)單些，只是做試驗(yàn)所需的人力物力也不容小覷。所以兩個(gè)方法都有其限制，所以要取長(zhǎng)補(bǔ)短。若能有效的結(jié)合兩個(gè)方法，就既能減少計(jì)算量，又能減少試驗(yàn)時(shí)間。不能盲目地對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行理論數(shù)學(xué)建模， 又不能全用試驗(yàn)的方法的進(jìn)行擬合，我們需要對(duì)每個(gè)具體參數(shù)進(jìn)行理性分析， 8 第一章 緒論 判斷哪個(gè)參數(shù)適合理論分析，哪些參數(shù)適合試驗(yàn)擬合。下面通過(guò)查閱文獻(xiàn)整理出了有代表性的關(guān)于油氣彈簧理論建模的國(guó)外研究。 美國(guó)學(xué)者科恩拉德通過(guò)研究獨(dú)立式油氣懸架的結(jié)構(gòu)形式，認(rèn)為可以將相關(guān)物理定律引入到油氣懸架的數(shù)學(xué)建模中，通過(guò)這個(gè)方法建立油氣彈簧的初始數(shù)學(xué)模型，再利用試驗(yàn)的方法對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行參數(shù)化識(shí)別，從而可以有效的建立油氣懸架的參數(shù)化模型[4]。而韓國(guó)學(xué)者李廣津則建立了油氣彈簧的單氣室數(shù)學(xué)模型，并且通過(guò)給予該模型一個(gè)高速激勵(lì)，得出了關(guān)于油氣彈簧產(chǎn)生氣穴的主要影響因素，因?yàn)橛蜌鈴椈傻南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大，導(dǎo)致節(jié)流孔或節(jié)流閥片兩端的壓差過(guò)大，使得液壓油腔的壓強(qiáng)降低過(guò)多，并低于液壓油的氣化壓強(qiáng)，這才使得油液產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，這將會(huì)嚴(yán)重影響油氣彈簧的工作性能。不僅如此，他還對(duì)油氣懸架在不同溫度環(huán)境下進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，最終得到了油氣彈簧在不同溫度下的輸出力-位移曲線[5]。英國(guó)學(xué)者優(yōu)塞菲則另辟蹊徑，他認(rèn)為若將油氣彈簧的非線性特性進(jìn)行線性化處理，就能大大簡(jiǎn)化油氣懸架的建模工作。他利用了一種低階近似的擬合方法對(duì)油氣懸架進(jìn)行處理，并設(shè)計(jì)了一個(gè)狀態(tài)空間， 里面包含了油氣懸架模型的各個(gè)影響因素，使?fàn)顟B(tài)變量和其導(dǎo)數(shù)的近似值均達(dá)到最小[6]。與他類似的還有美國(guó)學(xué)者弗蘭克。弗蘭克也將油氣懸架的非線性特性進(jìn)行了線性化處理。只是有所不同的是，弗蘭克采用的方法是等效線性化的方法，而且他還考慮了多個(gè)非線性因素，如高壓氮?dú)鉅顟B(tài)的變化過(guò)程、活塞與缸筒還有活塞桿與缸筒之間的摩擦力、液壓油液的不可忽略的可壓縮性節(jié)流阻尼孔或閥片的紊流狀態(tài)以及限位塊的壓縮變形等[7]。以上研究均是對(duì)單個(gè)油氣懸架進(jìn)行分析，而對(duì)整車上的油氣懸架系統(tǒng)的相互影響關(guān)系涉及較少。在這方面，國(guó)外學(xué)者菲萊斯對(duì)互連式油氣懸架模型進(jìn)行了較深入的研究。他利用一種名為功率鍵合圖的方法，為多軸起重機(jī)的互連式懸架進(jìn)行了建模，指出互連式懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性很大，比一般的獨(dú)立式懸架具有更理想的懸架特性[8]。而與 9 本科生畢業(yè)論文 此同時(shí)，英國(guó)學(xué)者里德奧特也對(duì)互連式油氣懸架系統(tǒng)開(kāi)展了研究，他對(duì)該復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，最終得到了令人滿意的結(jié)果，并以此建立了該懸架模型的線性，慣性以及雙線性模型[9][10]。 [2] 開(kāi)發(fā)不同于傳統(tǒng)的新式油氣懸架以及進(jìn)一步加深對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)控制策略的研究。 對(duì)于傳統(tǒng)的油氣彈簧懸架，其雖然有非線性的特性，但是歸結(jié)到底，其形式仍是被動(dòng)懸架的一種，其非線性特性仍然是其固有的。而今后的懸架系統(tǒng)， 為了更好地去滿足人們對(duì)于乘坐舒適性的要求，必然要向主動(dòng)或半主動(dòng)方向進(jìn)軍。國(guó)外現(xiàn)階段就在進(jìn)行大量的關(guān)于油簧懸架主動(dòng)控制辦法的研究。由于在油簧的兩個(gè)不是線性變化的特性—?jiǎng)偠群妥枘崽匦灾?，阻尼力的控制調(diào)節(jié)相對(duì)容易，故對(duì)其進(jìn)行阻尼力調(diào)節(jié)的半主動(dòng)控制，相對(duì)更簡(jiǎn)便。在主動(dòng)控制方面，占主流的方法有模糊控制方法和最優(yōu)控制理論方法等。匹配有這些復(fù)雜控制理論的油氣懸架雖然性能可以得到大幅度的提高，但是其可靠性差，而且成本高， 所以普及率并不高。 由于傳統(tǒng)油氣懸架擁有十分優(yōu)越的性能，并且在國(guó)外，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，所以在上世紀(jì)七八十年代，國(guó)外的油氣懸架就出現(xiàn)很多成型的商品，并被廣泛應(yīng)用于軍事及工程機(jī)械上。 1.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 相對(duì)于國(guó)外，中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于油氣彈簧的研究開(kāi)始的就比較晚。直到上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的學(xué)者才開(kāi)始注意到油氣懸架。首先，在 1984 年，在油氣懸架應(yīng)用方面做出表率的是上海重型汽車制造廠。其將油氣懸架最先應(yīng)用到兩種型號(hào)的礦用自卸車中。但令人遺憾的是，其自主研發(fā)的油氣懸架在穩(wěn)定性和密封性方面的表現(xiàn)并不理想，所以該懸架并未能廣泛的推廣[11]。 10 第一章 緒論 在此之后，國(guó)內(nèi)各個(gè)汽車廠商開(kāi)始對(duì)油氣懸架進(jìn)行了不同程度的嘗試。湘潭電機(jī)公司引進(jìn)了國(guó)外的油氣懸架，并將其安裝到不同載荷的礦用自卸車上。通過(guò)實(shí)踐，對(duì)國(guó)外的先進(jìn)油氣懸架技術(shù)進(jìn)行了一定程度上的消化。而到了 1992 年和 1994 年，徐工集團(tuán)與湖南浦沅工程機(jī)械廠先后引進(jìn)了德國(guó)的全路面起重機(jī)，這項(xiàng)舉措大大加快了油氣懸架技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，此后國(guó)內(nèi)便形成了油氣懸架技術(shù)研究地高潮。 不過(guò)就總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)油氣懸架的研究仍多在仿真階段，通過(guò)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的理論和結(jié)構(gòu)分析，臺(tái)架試驗(yàn)得出的結(jié)果對(duì)油氣懸架進(jìn)行理論上的完善和原理樣機(jī)的研制。而目前仍未有可以有效地去指導(dǎo)油氣懸架的設(shè)計(jì)和研發(fā)的方法。 在各大高校及科研院所，也有許多專家對(duì)油氣懸架正在進(jìn)行大量的研究。在國(guó)內(nèi)，最早對(duì)其進(jìn)行研究的是原武漢水運(yùn)工程學(xué)院即現(xiàn)在的武漢理工大學(xué)的陶又同教授，陶教授早在 1985 年就采用示功圖法對(duì)油氣彈簧進(jìn)行了辨識(shí)[12]。 之后直到 1994 年，上海同濟(jì)大學(xué)的孫求理教授對(duì)單氣室油氣懸架進(jìn)行了研究， 并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化[13]。而同在 1994 年，北京大學(xué)的高凌風(fēng)教授對(duì)互連式油氣 懸架進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，分析了其剛度對(duì)車輛振動(dòng)的影響[14]。在 1998 年，大連理工大學(xué)的趙春明教授通過(guò)研究某型號(hào)的起重機(jī)，配合以功率鍵合圖的方法探究了油氣懸架在路面激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)特性[15]。不過(guò)上述研究均將液壓油液視為不可壓縮的剛體。而進(jìn)入 21 世紀(jì)后，浙江大學(xué)的吳仁智教授于 2000 年在 考慮了液壓油液的可壓縮性后，建立了油氣懸架數(shù)學(xué)模型[16]。而又在 2 年后， 華中科技大學(xué)的曹樹(shù)平副教授在考慮了油液的庫(kù)倫摩擦力后，建立的油氣懸架的數(shù)學(xué)模型。并以該模型為基礎(chǔ)，分析研究了油氣懸架的非線性剛度和阻尼特性[17]。不過(guò)在動(dòng)力學(xué)仿真方面，河北工業(yè)大學(xué)的碩士馬國(guó)清于 2001 年利用MATLAB 軟件搭建了一個(gè)四分之一車輛數(shù)學(xué)模型，并將油氣懸架的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 11 本科生畢業(yè)論文 該模型中。由此，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到了懸架各個(gè)參數(shù)對(duì)其阻尼 剛度特性的影響[18]。幾年后，上海交大汽研所的孫濤、喻凡等人同樣利用了二 自由度車輛四分之一模型對(duì)油氣懸架進(jìn)行了研究，得到了單氣室油氣懸架平順 性的仿真結(jié)果[19]。同樣是上海交大的博士莊德軍于 2006 年在油氣懸架的研究中引入了魯棒性控制理論，并以此建立了懸架的主動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型。利用該模 型，通過(guò)仿真得到了該理論對(duì)懸架側(cè)向及垂向性能的影響[20]。在 2005 年，吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院的周德成老師對(duì)油氣懸架的研究也做了進(jìn)一步分析。周德成老 師舍棄了理想氣體方程，而是利用實(shí)際氣體狀態(tài)方程對(duì)油氣懸架剛度特性進(jìn)行 建模，并利用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。不僅如此，周老師還研究了液 壓缸的摩擦力對(duì)懸架性能的影響[21]。與此同時(shí)，同時(shí)吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院的王智 明老師利用分形理論，針對(duì)某型號(hào)礦用車油氣懸架的輸出力特性進(jìn)行了探究[22]。之后，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院的郭孔輝院士在 2008 年利用試驗(yàn)和仿真結(jié)果， 對(duì)消扭油氣懸架的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證[23]。一年之后，北京理工大學(xué)的吳志成， 楊杰等人對(duì)油氣懸架的阻尼閥進(jìn)行了詳盡的分析，并對(duì)其進(jìn)行了仿真，得到了 阻尼閥的參數(shù)對(duì)懸架阻尼特性的影響結(jié)果[24]。在 2011 年，北理的趙玉壯博士對(duì)油懸的具體部分進(jìn)行了非常仔細(xì)縝密的數(shù)模的建立，并對(duì)其進(jìn)行了分析，他 還將將控制阻尼的方法應(yīng)用到了油懸上，還以此進(jìn)行了油氣懸架的硬件設(shè)計(jì)[25]。北京航天發(fā)射技術(shù)研究所的張軍偉對(duì)互連式多支路油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了深入 研究。他利用分?jǐn)?shù)階理論建立了油氣懸架模型，并以該模型為基礎(chǔ)，探究了互 連式油氣懸架的阻尼耦合問(wèn)題[26]。 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)油氣懸架的研究主要集中在五個(gè)方面： 1. 油氣懸架基本理論的研究。 中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還是相對(duì)較多的。在這方面的研究，主要集中在懸架系統(tǒng)的剛度阻尼的非線性化定性研究上， 還有對(duì)整車的行駛平順性的評(píng)價(jià)方法的探究上。 12 第一章 緒論 2. 特定或特種車輛的油氣懸架仿真以及應(yīng)用。 在國(guó)內(nèi)的一些高校都在利用各種復(fù)雜理論來(lái)進(jìn)一步改善其油氣懸架模型，有模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論等。只不過(guò)，相較于外國(guó)的成熟產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的性能表現(xiàn)差強(qiáng)人意，在穩(wěn)定性、平順性上都有較大的差距。而且以被動(dòng)懸架居多，半主動(dòng)和主動(dòng)控制的懸架產(chǎn)品較少。 3. 對(duì)油氣懸架新結(jié)構(gòu)的探索。 與國(guó)外的探索一樣，國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者積極地在開(kāi)展對(duì)油氣懸架新形式的探索。主要還是在主動(dòng)或半主動(dòng)形式方向進(jìn)軍。 4. 油氣懸架阻尼閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于節(jié)流閥系是油氣彈簧非線性阻尼特性的最主要的保證，故對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高油氣懸架性能主要方式之一。目前，山東理工大學(xué)的學(xué)者在這方面做出了較多貢獻(xiàn)。他們利用自己建立的設(shè)計(jì)理論，根據(jù)油氣懸架的最佳阻尼特性，通過(guò)油氣彈簧的閥片開(kāi)啟時(shí)的速度點(diǎn)、活塞的運(yùn)動(dòng)速度、液壓油液的流量以及節(jié)流壓力和閥片變形之間的關(guān)系，建立了油氣彈簧的節(jié)流閥系的數(shù)學(xué)模型以及最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，利用 AutoCAD 平臺(tái)以及 C 語(yǔ)言編程軟件，開(kāi)發(fā)了油簧節(jié)流閥系設(shè)計(jì) CAD 軟件，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化設(shè)計(jì)。 5. 以油氣彈簧試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)反過(guò)來(lái)求得油氣彈簧的各個(gè)參數(shù)。 試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)往往是最真實(shí)最客觀的，它可以最直觀的表現(xiàn)出油氣懸架的各個(gè)特性。所以國(guó)內(nèi)也有學(xué)者會(huì)利用試驗(yàn)的方法，對(duì)國(guó)外的優(yōu)秀產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，然后在反求其參數(shù)，最后再來(lái)優(yōu)化自己的理論。 1.5 國(guó)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題 從上述油氣懸架的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，國(guó)外的技術(shù)相較于國(guó)內(nèi)，已經(jīng)非常成熟了，兩者的差距還很大。國(guó)內(nèi)仍需要做以下幾方面的工作： 13 本科生畢業(yè)論文 1. 雖然國(guó)內(nèi)對(duì)油氣懸架的研究開(kāi)展的如火如荼，但仍存在著系統(tǒng)性差等問(wèn)題。因此需要建立一套能被大家接受的通用的設(shè)計(jì)規(guī)范，促使油氣懸架的研究工作能更加的規(guī)范高效。 2. 目前國(guó)內(nèi)在油氣懸架的研究仍集中在理論設(shè)計(jì)上，但對(duì)油氣懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著墨不多。要知道，一個(gè)優(yōu)秀的理論同樣需要一個(gè)優(yōu)秀可靠的載體才能發(fā)揮出其最大的優(yōu)勢(shì)。因此，在加強(qiáng)對(duì)油氣懸架的理論研究的同時(shí)，還要對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化多做努力。 3. 由于懸架的總體發(fā)展方向仍是向半主動(dòng)和主動(dòng)控制，故油氣懸架也必然會(huì)向這方面提升。所以在油氣懸架系統(tǒng)的研究工作中，從被動(dòng)到主動(dòng)或半主動(dòng)懸架的轉(zhuǎn)變，需要廣大研究者的共同努力。 由此，對(duì)油氣懸架今后的研究工作中，需要對(duì)其工作特性建立更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，加之以微處理器技術(shù)和有效地控制算法，進(jìn)一步的提升其性能。 14 第一章 緒論 1.6 雙橫臂懸架 本次設(shè)計(jì)的雙橫臂懸架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.6 所示。雙橫臂式獨(dú)立懸架的 上下橫臂的長(zhǎng)度不盡相同。當(dāng)車輛上搭載了上下橫臂長(zhǎng)度相同的雙橫臂懸架時(shí)，其在路面上行駛，車輪上下 圖 1.6 運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的車輪平面始終能夠保持平行，即其主銷的中心軸線的空間布 置角度也不會(huì)發(fā)生改動(dòng)，其主銷軸線的傾斜角不發(fā)生變化。只不過(guò)，汽車輪胎的水平距離會(huì)發(fā)生很大變化，顯然這樣會(huì)使車輪向側(cè)面的滑動(dòng)加劇，增加了輪胎的磨損。因此，該種形式的懸架應(yīng)用并不廣泛。而對(duì)于上下橫臂不等長(zhǎng)的懸架，其車輪平面和主銷軸線的角度雖然會(huì)發(fā)生變化，但若合理地去匹配兩者的長(zhǎng)度，則可以將這種變化控制在可以接受的范圍內(nèi)。其不大的輪距變化，完全可以由輪胎的彈性變形來(lái)彌補(bǔ)，并不會(huì)使輪胎發(fā)生側(cè)向滑移，所以可以保證汽車的行駛平順性。 1.7 本章小結(jié) 本文主要對(duì)雙橫臂式油氣彈簧懸架進(jìn)行設(shè)計(jì)，著重完成下述幾個(gè)方面的工作: 1. 根據(jù)任務(wù)書(shū)給出的車輛參數(shù)，以及對(duì)懸架機(jī)構(gòu)的性能要求，大致確定雙橫臂式懸架的各個(gè)硬點(diǎn)參數(shù)，然后利用 ADAMS/CAR 中自帶的雙橫臂式懸架模板對(duì)初步確定的硬點(diǎn)參數(shù)進(jìn)一步地進(jìn)行確認(rèn)和修改，得到最終的懸架尺寸參數(shù)。 2. 利用任務(wù)書(shū)對(duì)懸架性能的要求，對(duì)油氣彈簧的整體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并完成油氣彈簧內(nèi)部具體零部件的設(shè)計(jì)。 15 本科生畢業(yè)論文 3. 利用MATLAB/SIMULINK 等軟件對(duì)油氣彈簧的剛度/阻尼特性進(jìn)行分析， 最終得到油氣彈簧的剛度/阻尼特性曲線。并分析了不同參數(shù)對(duì)油氣彈簧特性的影響曲線。 4. 最后借助 SIMULINK 建立四分之一車輛模型，對(duì)油氣彈簧進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。 16 第二章 懸架主要參數(shù)的確定 第二章 懸架主要參數(shù)的確定 2.1 懸架靜撓度[27] 懸架靜撓度的定義指的是車輛處在滿載而且靜平衡的時(shí)候，懸架所受載荷 Fw 與此刻懸架剛度c 的比值，即 fc = Fw / c （2-1） 汽車的前懸和后懸以及各自與其簧上質(zhì)量形成的振動(dòng)系的固有頻率，這兩個(gè)參數(shù)是主要影響車輛平順性的因素。在另一方面，由于現(xiàn)在的汽車前后的車身質(zhì)量分配系數(shù)ε ≈1，那就意味著汽車前后部分的振動(dòng)之間不存在聯(lián)系。所 以，可以得到汽車車身前后部分的固有頻率n1 、n 2 為： c1 / m1 n1 = / (2p ) ； n2 = / (2p ) c2 / m2 （2-2） 上式中， c1 和c2 分別為前懸和后懸的剛度（N/cm）； m1 和m2 分別為前懸 和后懸的簧上質(zhì)量（kg）。 而且，當(dāng)懸架的彈性元件的剛度為線性變化時(shí)，其前懸、后懸的靜撓度則可表示為： fc1 = m1g / c1 ； fc 2 = m2 g / c 2 （2-3） 上式中，g 是重力加速度，等于 981 cm / s2 。 fc 2 若將式（2-3）代入到式（2-1）中，則可以得到： n1 = 5/ ； n2 = 5 / fc1 17  （2-4） 本科生畢業(yè)論文 從式（2-4）可以分析得：懸架的靜撓度將會(huì)直接影響到汽車車身的振動(dòng)的頻率 n。由此，若要使車輛在行駛時(shí)能平穩(wěn)舒適，其懸架靜撓度的取值至關(guān)重要。 在設(shè)計(jì)懸架參數(shù)時(shí)，首先應(yīng)合理地選取前懸和后懸的靜撓度值，并且應(yīng)該保證兩者之間的差別不大，而且更重要的是，最好能讓后懸的靜撓度 fc 2 的取 值比前懸的靜撓度 fc1 在數(shù)量上要少一些，即后懸架的偏頻n2 要比前懸架的n1 更大一些，這樣的搭配可以使車身在縱向平面上的角振動(dòng)保持在較小范圍內(nèi)變動(dòng)。由于本文設(shè)計(jì)的前懸屬于輕型貨車前懸架，而考慮到貨車的前軸與后軸載荷在空滿載時(shí)的較大差別，還有乘員的舒適性，可取前后懸架的靜撓度值關(guān)系 為 fc 2 = (0.6 0.8) fc1 。 對(duì)于使用途徑不一樣的車輛，其對(duì)行駛時(shí)的平穩(wěn)舒適的需求也有較大的差異。乘用車以讓人坐乘為主要途徑，對(duì)乘坐舒適性的要求最高，而以載貨為主要目的的貨車對(duì)乘坐舒適性的要求最低。 當(dāng)貨車處于滿載狀態(tài)時(shí)，需要前懸架的固有振動(dòng)頻率維持在 1.50～2.10 HZ 之間，結(jié)合任務(wù)書(shū)中對(duì)該車硬點(diǎn)參數(shù)的要求 1.20～2.10 HZ ，本文取前懸架的偏頻為 1.80 HZ 。 由前懸的偏頻，結(jié)合式（2-4）可以算得前懸架的靜撓度為： c1 1 f = 25 / n 2 = 25 /1.82 = 7.7cm 2.2 懸架動(dòng)撓度[27] 首先懸架的動(dòng)撓度的定義為車輛從滿載靜平衡位置開(kāi)始，懸架慢慢開(kāi)始?jí)嚎s，等懸架被壓縮到最大值時(shí)，即緩沖塊壓縮到它的自由伸展尺寸的一半或三 18 第二章 懸架主要參數(shù)的確定 分之二時(shí)，此時(shí)的車輪中心相對(duì)車體的豎直位移。根據(jù)《汽車設(shè)計(jì)》要求， 車輛要有足夠大的動(dòng)撓度，以使車輛在壞路面上行駛時(shí)，懸架就不太會(huì)碰擊到車架上，以提高乘坐舒適性。一般對(duì)于貨車來(lái)說(shuō)，其動(dòng)撓度 fd 取值為 6～9cm。 本文取貨車的前懸架動(dòng)撓度 fd1 = 9cm 。 2.3 懸架彈性特性 懸架在受到豎直方向上的外力 F 時(shí)，汽車的車輪會(huì)向上跳動(dòng)，車輪相對(duì)于車體的位移（即懸架的變形量），它與該外力之間的關(guān)系就是懸架的彈性特性。該曲線的斜率就為懸架的剛度。 懸架的彈性特性可以是線性變化的，但也可以不是線性變化的。線性的彈 圖 2.1 性特性即懸架的剛度是一固定不變值。而非線性彈性特性如圖 2.1 所示。此時(shí)，懸架的剛度是變化的。其最大的特點(diǎn)就是在懸架的滿載位置附近，懸架的特性曲線變化較為緩慢，即懸架的剛度較小，所以懸架較“軟”，其乘坐舒適性好。但是，在離滿載位置較遠(yuǎn)時(shí)，曲線的 斜率急劇增大，即懸架的剛度迅速增加，懸架變“硬”。這樣的變化，可以使懸架在一定的動(dòng)撓度范圍內(nèi)，其動(dòng)容量比線性彈性懸架更大。（動(dòng)容量是指懸架從滿載靜平衡位置開(kāi)始，變形到結(jié)構(gòu)允許的變形量最大值時(shí)，需要的能量）。 若懸架的動(dòng)容量越大，則其在上下振動(dòng)時(shí)撞擊甚至是擊穿緩沖塊的幾率就越小。對(duì)于空滿載時(shí)的簧上質(zhì)量變化大的貨車或客車，為了使車身的振動(dòng)固有頻 率以及車身的高度變化保持在較小范圍內(nèi)，需要車輛搭配有剛度變化的懸架。 2.4 車輛懸架系統(tǒng)的阻尼匹配[28] 19 本科生畢業(yè)論文 2.4.1 單輪二自由度懸架系統(tǒng)的頻響函數(shù) 當(dāng)懸架質(zhì)量分配系數(shù)e ?1 時(shí)，我們就能將汽車簡(jiǎn)化成二自由度模型，如圖 2.2 所示。 按圖中所示，m1 為懸架的簧下質(zhì)量；m2 為懸 圖 2.2 架的簧上質(zhì)量；K 為彈簧剛度；C 為減振器阻尼系數(shù)； Kt 為輪胎剛度。 車輪、車身的垂直位移為 z1和z2 ，q 為路面凹 凸顛簸產(chǎn)生的激勵(lì)。當(dāng)上圖中各參數(shù)在坐標(biāo)系中的原點(diǎn)選在各自的平衡位置時(shí)， 該模型的運(yùn)動(dòng)方程為 m2 z2 + C(z2 - z1 ) + K (z2 - z1 ) = 0 m1z1 + C(z1 - z2 ) + K (z1 - z2 ) + Kt ( z1 - q) = 0 （2-5） 將式 2-5 進(jìn)行拉普拉斯變換，得到下式： m z s2 + C(z - z )s + K(z - z )=0 2 2 2 1 2 1 m z s2 + C(z - z )s + K(z - z ) + K (z - q) = 0 1 1 1 2 1 2 t 1  （2-6） K / m2 下面引入以下幾個(gè)物理量： rk = Kt / K ； rm = m2 / m1 ； w0 = ； l=w/w0 20 第二章 懸架主要參數(shù)的確定 rk 為輪胎剛度與懸架剛度的比值； rm 為簧上與簧下質(zhì)量的比值；w0 為車身 固有頻率； l 為頻率比。 設(shè) s=j w ,代入到式 2-6，可得到z1和z2 對(duì)路面激勵(lì) q 的頻率響應(yīng)函數(shù)為： z H ( jw) 1 (r - l2r )+ 2xlr j  （2-7） q = k k k ( 1- l2 1+ r - l2 / r )( k m ) -1+ r é ê k ? - ?1+ r ? m r ÷ l 2 2 ù ú xl j z H ( jw) 2 ? è m ? ? q = rk + 2xlrk j ( 1- l2 1+ r - l2 / r -1+ r )( k m ) é ê k - ?1+ r ? ? m r ÷ l 2 2 ù ú xl j ? è m ? ?  （2-8） 由此，可得車輪和車身振動(dòng)響應(yīng)加速度 z1和z2 ，對(duì)路面不平度速度輸入q 的頻響函數(shù)分別為： H( jw)z q = jwH( jw)z q （2-10） 1 1 z H( jw) 2 = jwH( jw) z q 2  q （2-11） 2.4.2 車身垂直加速度均方值 當(dāng)車輛在不同等級(jí)的道路上行駛時(shí)，可以把路面速度輸入譜看作白噪聲， 即 G  ( f ) = 4p 2G  (n )n2v （2-12） q q 0 0 上式中， n 為參考空間頻率， n = 0.1m-1 ；v 為車輛運(yùn)動(dòng)速度。 0 0 根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，其響應(yīng)均方值為 21 本科生畢業(yè)論文 x o 2 = +￥ H jw ò ( ) -￥ x q 2 Gq ( f ) df 2  （2-13） x q 上式中， H ( jw ) 為 x 對(duì)路面凹凸度速度輸入q 的頻響函數(shù)。其中，響應(yīng) x 可以為車輪與車身的位移、加速度以及懸架動(dòng)撓度或車輪動(dòng)載。 由此，根據(jù)頻響函數(shù)式 2-12、2-13，可以求得車身垂直加速度 z2 的均方 值為 w3 (1+ r + 4r r x 2 ) o 2 = p 2G (n )n2v 0 m m k z2 q 0 0 2xrm  （2-14） 2.4.3 基于舒適性的車輛懸架最佳阻尼比 z 通過(guò)對(duì)車身垂直加速度均方值s 2 2 對(duì)x 求偏導(dǎo)，就能得到基于舒適性的最 ?s 2 z2 =0 1 1 + rm 2 rm rk 佳阻尼比x ，由式 2-13 可得： 1 1+ 23 / 3 2 23 / 3′1000 / 147 當(dāng) ?x 時(shí) ， 得 xoc = 1 1+ rm 2 rm rk 代入車輛參數(shù)，得xoc = = = 0.2038 2.4.4 基于安全性的車輛懸架最佳阻尼比 根據(jù)車輪動(dòng)載頻響函數(shù)式 2-10、式 2-12 以及式 2-13，可得到車輪動(dòng)載的 均方值為  r r (r r - 2 - 2r ) + (1+ r )3 + 4r r x 2 (1+ r )2 o 2 = K 2p 2G (n ) n2v m k m k m m m k m Fd t q 0 0 2r3r2wx m k 0 （2-15） 22 第二章 懸架主要參數(shù)的確定 F 通過(guò)對(duì)車輪動(dòng)載均方值s 2 d 對(duì)阻尼比x 求偏導(dǎo)，便可以得到基于安全性 的最佳阻尼比，由式 2-15 可得 1 R 2 (1+ rm ) rm rk ?s 2 當(dāng) Fd =0 時(shí)，得x = ?x os 式中， R = r r (r r - 2 - 2r ) + (1+ r )3 。 m k m k m m 代入車輛參數(shù)，得xos =0.3968 根據(jù)上述的基于舒適性和基于安全性的車輛最佳阻尼比可得，該貨車被動(dòng)懸架的最佳阻尼比范圍在 0.20

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