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學(xué) 院 專業(yè) 學(xué)生姓名 （教）學(xué)號 指導(dǎo)教師 職稱 合作導(dǎo)師 職稱 論文題目 某車油氣彈簧前懸架設(shè)計(jì) 一、課題研究的背景和意義（綜述國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，闡述課題的研究目的、意義） 研究背景及意義 汽車懸架是指汽車的車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間一切傳力連接裝置的總稱。車輛懸架除了應(yīng)保證車輪的精確導(dǎo)向、轉(zhuǎn)向之外，還要能隔離路面噪聲，避免車輪滾動產(chǎn)生的噪聲傳到車身。由于車輪接地點(diǎn)處的力（力矩）都是通過車輛懸架傳遞到車身的，無論汽車處于何種狀態(tài)（起步、行駛、上下坡道、轉(zhuǎn)彎、制動等），懸架都起著極為重要的作用（支撐車身、抑制車身的垂直振動、俯仰及傾側(cè)等），其性能的優(yōu)劣直接關(guān)聯(lián)著汽車的平順性、穩(wěn)定性甚至是行車安全。所以在任何車輛中，懸架都是汽車底盤非常重要的部件之一。 汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性對車輛懸架的要求是沖突的、相互矛盾的。要提高行駛平順性，車輛懸架必須匹配“軟”的彈簧和小阻尼的減震器，但是這 樣懸架動行程會增加，抗俯仰和傾側(cè)的能力降低，會極大影響操縱穩(wěn)定性；而想 要提高操縱穩(wěn)定性，就得使用“硬”彈簧及與之相匹配的大阻尼減震器來限制車 身姿態(tài)的變化，這又會使車身振動加劇，影響乘坐的舒適感。因此只有綜合考慮這兩個(gè)矛盾的因素，才能提高汽車懸架的整體性能。 本文主要進(jìn)彈簧車用油氣彈簧的設(shè)計(jì)與分析的研究。油氣彈（Hydro- Pneumatic Spring）是油氣懸架的核心部件，是利用氣體的壓縮來儲存能量的彈性元件，是在膜式空氣彈簧的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。它采用金屬容器作為氣室，以惰性的氮?dú)庾鳛閺椥栽⒃诨钊蜌怏w之間有油液作為中間介質(zhì)。它擁有車輛所需理想的非線性彈性特性、良好的減振性能和比較完善的調(diào)節(jié)功能，通過油氣彈簧的設(shè)計(jì)可以滿足汽車所需的非線性彈性特性、減振性能，提高乘坐的舒適性。 油氣懸架不僅能夠滿足汽車行駛的平順性和操縱性，而且可以通過調(diào)節(jié)車身高度提高汽車的道路通過性，另外相較于其他新型懸架，油氣懸架的性價(jià)比更高。在國內(nèi)，油氣懸架還處于研究階段，但在歐美一些發(fā)達(dá)國家使用主動油氣懸架作為車輛懸架系統(tǒng)已經(jīng)初步得到了實(shí)際應(yīng)用。由于國內(nèi)引進(jìn)油氣懸架的時(shí)間較晚（20 世紀(jì) 90 年代），自主研發(fā)的產(chǎn)品性能與國外同類產(chǎn)品相比，還存在較大差距，不管是油氣懸架的設(shè)計(jì)階段還是應(yīng)用過程，都未形成系統(tǒng)的知識技術(shù)鏈，因此對油氣懸架系統(tǒng)的研究以及完善其在應(yīng)用方面的技術(shù)很有必要。 經(jīng)過廣泛的市場調(diào)研，國內(nèi)民用市場對油氣彈簧的需求量很大，需求量遠(yuǎn)大于供應(yīng)量。很多企業(yè)和科研院所都對其產(chǎn)生了濃厚的興趣，但由于國外對核心技術(shù)的封鎖，國內(nèi)在自主研發(fā)方面的整體實(shí)力還比較薄弱，使得目前沒有真正意義上的高質(zhì)量成熟產(chǎn)品能夠批量供貨，同時(shí)昂貴的價(jià)格也使大多企業(yè)“望而卻步”，此外，國外企業(yè)不斷進(jìn)入中國市場，希望在中國市場占有一席之地，使得市場蘊(yùn)涵著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為了保護(hù)國內(nèi)市場不被國外企業(yè)占據(jù)，對油氣彈簧的工作性能進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，并研制出性能優(yōu)越、價(jià)格合理的產(chǎn)品是當(dāng)前的首要任務(wù)，在此基礎(chǔ)上，保護(hù)領(lǐng)國內(nèi)市場，創(chuàng)造民族品牌，加快我國汽車行業(yè)的發(fā)展速度，增強(qiáng)自主研發(fā)實(shí)力。 國外研究現(xiàn)狀 當(dāng)前國外專家學(xué)者對油氣懸架的研究主要集中在個(gè)方面： 1. 建立新型合理的油氣懸架的數(shù)學(xué)模型。主要的研究思路是把具有非線性特性的彈性元件如懸架油缸和對非線性的影響因素如油液、高壓空氣的壓縮膨脹、非線性阻尼、剛度特性納入到數(shù)學(xué)模型中，使得理論懸架系統(tǒng)符合實(shí)際，成為非線性系統(tǒng)。目前建立油氣懸架的數(shù)學(xué)模型方法可以分為參數(shù)化和非參數(shù)化，因?yàn)閰?shù)化模型能比較好的描述系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)，而且每個(gè)參數(shù)又有非常明確的物理意義，有益于油氣懸架非線性特性的研究，相對于非參數(shù)化設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)勢。兩者均有其局限性，國外學(xué)者試圖結(jié)合參數(shù)化和非參數(shù)化兩種建模方式實(shí)現(xiàn)對油氣懸架數(shù)學(xué)模型的建模工作。 2. 新型結(jié)構(gòu)形式的油氣懸架的開發(fā)和主動控制策略的研究。新型結(jié)構(gòu)形式的油氣懸架的開發(fā)，主要是對半主動和主動油氣懸架的開發(fā)應(yīng)用。利用油氣懸架變阻尼相對簡單的優(yōu)勢，調(diào)節(jié)阻尼實(shí)現(xiàn)懸架的半主動和主動控制。半主動控制的原理主要是控制單元對各類傳感器采集的信號進(jìn)行處理，再通過調(diào)節(jié)阻尼閥口大小，改變油缸和蓄能器之間的阻尼力，實(shí)現(xiàn)懸架輸出力半主動控制。主動懸架則需要另加動力元件如液壓油泵等，油液通過伺服閥再進(jìn)入液壓缸，實(shí)時(shí)控制懸架輸出力。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)80年代，油氣彈簧引起了國內(nèi)研宄人員的關(guān)注意。進(jìn)入到年代，國內(nèi)的一些大型國有企業(yè)引進(jìn)了裝有油氣彈簧的車輛，這一事件翻開了國內(nèi)油氣彈黌研究高潮的第一頁，隨后，國內(nèi)的高等院校也加入了科研隊(duì)伍。目前，該技術(shù)在國內(nèi)的研究主要包括如下幾個(gè)方面： 1. 基本的設(shè)計(jì)理論研宄?；谲囕v的類型、性能、參數(shù)及油氣彈簧內(nèi)、外部的工作環(huán)境等因素，研究人員完成油氣彈簧最佳阻尼匹配特性、油液節(jié)流損失性能、閥片應(yīng)力、應(yīng)變特性及阻尼、剛度等特性的研究，得出油氣彈黃的工作特性的變化規(guī)律，為我國自主研發(fā)提供重要的科研資料。 2. 油氣彈簧特性仿真及相關(guān)軟件開發(fā)的研宄。國內(nèi)研究人員在該方面進(jìn)行了大量的研宄工作，主要對油氣彈簧的工作特性進(jìn)行仿真模型建立及定性分析，應(yīng)用相關(guān)軟件進(jìn)行仿真，如：中的模塊、編程軟件，經(jīng)過科研工作人員的不懈努力，在該方面取得了突出的成績，并且在各大高校的相關(guān)科研工作也開展的如火如荼，如：吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、山東理工大學(xué)等。 3. 特定車型才需使用的油氣彈賛研究。該方面目前還處于研究階段，主要是利用軟件完成油氣彈簧機(jī)械模型的建立，并納入液壓系統(tǒng)，完成油氣彈簧的特性分析。 4. 油氣彈簧的新型結(jié)構(gòu)形式的研發(fā)。如圖1所示為某種剛度可控的油氣彈簧模型，在結(jié)構(gòu)上它擁有兩個(gè)儲氣室，工作時(shí)根據(jù)采集的汽車和油氣彈簧的相關(guān)信號，控制幵關(guān)閥的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)剛度隨車身狀態(tài)的變化而變化的功能。 5. 利用對油氣彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)反求油氣彈黌的參數(shù)。通過試驗(yàn)的手段得出最能真實(shí)、準(zhǔn)確反映油氣彈簧特性的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)反求，目前，國內(nèi)主要對節(jié)流閥參數(shù)進(jìn)行反求。 圖 1 二、課題研究已有的工作基礎(chǔ)，附證書、報(bào)告、文獻(xiàn)翻譯（總結(jié)歸納本人的學(xué)習(xí)、科研、實(shí)習(xí)等成果，以及已掌握的前人資料，簡述自己初步的學(xué)術(shù)見解） 查閱了許多國內(nèi)外文獻(xiàn)，也大致了解了油氣彈簧的結(jié)構(gòu)，工作原理，特征及分類，對于我自己而言，在設(shè)計(jì)一個(gè)油氣彈簧時(shí)，困難點(diǎn)應(yīng)該在于其數(shù)學(xué)模型的建立，這個(gè)要求我去掌握有關(guān)液壓傳動方面的知識，雖然大三選修課學(xué)習(xí)過，但也只是點(diǎn)皮毛，要應(yīng)用到具體的設(shè)計(jì)上，還是得去借鑒其他文獻(xiàn)中的方法及過程。油氣彈簧相較于其他被動彈簧，最大的特點(diǎn)在于其非線性的剛度及阻尼特性，而其特性又和它的結(jié)構(gòu)參數(shù)息息相關(guān)，因此，本次油氣彈簧的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)將油氣彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定好，再進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，最后進(jìn)行特性仿真。 三、研究的內(nèi)容及可行性分析 主要研究內(nèi)容 1. 在查閱關(guān)于油氣彈簧的國內(nèi)外研究資料的基礎(chǔ)上，介紹油氣彈簧的工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用領(lǐng)域。 2. 完成油氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選定。推導(dǎo)節(jié)流閥片的數(shù)學(xué)模型，利用該模型設(shè)計(jì)合理的節(jié)流閥片厚度，并設(shè)計(jì)合理的缸體、連接體、閥系的結(jié)構(gòu)形式，選取合理的密封圈和導(dǎo)向?qū)挾取? 3. 基于所建立的油氣彈簧數(shù)學(xué)模型完成油氣彈簧工作特性的仿真分析（剛度特性，阻尼特性，總輸出力特性）。 4. 建立四分之一車輛模型進(jìn)行動力學(xué)分析。 可行性分析 1. 客觀條件：關(guān)于油氣彈簧的設(shè)計(jì)，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)做出了大量的研究工作，通過在中國知網(wǎng)上的檢索，收集了大量的有關(guān)油氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化的論文，對我的課題工作有了極大的借鑒意義。而且本學(xué)期的工作主要就是這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，故時(shí)間上也十分充裕。并且還有吳海東老師和司振立學(xué)長的幫助。另外，學(xué)院實(shí)驗(yàn)室里也有許多油氣彈簧的實(shí)物，可以讓我更加具體切實(shí)的觀察和掌握油氣彈簧的結(jié)構(gòu)和工作原理。 2. 主觀條件：通過查閱其他學(xué)者的工作，我大概掌握了設(shè)計(jì)油氣彈簧的基本步驟及所需的基本知識，還有所需掌握的軟件技術(shù)（CATIA和MATLAB等）。這些在我前幾年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活中都有所接觸，并不陌生。關(guān)于油氣彈簧的基本認(rèn)識也已掌握(其結(jié)構(gòu)，特征，原理，分類，發(fā)展歷史等)。目前對我來說，最大的難點(diǎn)在于對其數(shù)學(xué)模型的建立，這項(xiàng)工作需要有關(guān)工程熱力學(xué)和流體力學(xué)的知識，而這兩門學(xué)科的知識我雖已學(xué)習(xí)過，但距今相隔較遠(yuǎn)，所以有所遺忘，難免生疏，學(xué)習(xí)時(shí)有些吃力，但好在有其他論文對于這項(xiàng)建模工作的詳細(xì)論述，讓我可以借鑒學(xué)習(xí)，減輕了我的負(fù)擔(dān)。 四、論文擬解決的關(guān)鍵問題及難點(diǎn) 關(guān)鍵問題 1. 確定油氣彈簧的基本參數(shù)，完成關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如節(jié)流閥系設(shè)計(jì)、連接體的設(shè)計(jì)、導(dǎo)向?qū)挾鹊脑O(shè)計(jì)、密封元件的選取等。 2. 根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程、節(jié)流縫隙兩端壓差與流量關(guān)系及油氣彈簧的工作參數(shù)，建立油氣彈簧的數(shù)學(xué)模型。 3. 基于所建立的模型完成油氣彈簧工作特性的仿真分析，根據(jù)結(jié)果總結(jié)每個(gè)參數(shù)對工作特性的影響規(guī)律。 4. 建立四分之一車輛模型進(jìn)行動力學(xué)分析。 五、研究方法與技術(shù)路線(重點(diǎn)論述技術(shù)方案) 技術(shù)路線 查閱文獻(xiàn)資料 了解，工作原理，特征，分類發(fā)展歷史等 確定總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各部分參數(shù) 上、下連接體，外缸體，活塞桿，浮動活塞，活塞，節(jié)流閥系，導(dǎo)向蓋等 建立油氣彈簧理論數(shù)學(xué)模型 利用已建的數(shù)學(xué)模型，對其特性進(jìn)行仿真 彈性力模型 阻尼力模型 總輸出力模型 剛度特性 阻尼特性 總輸出力特性 利用已得到的彈簧特性，建立四分之一車輛模型，進(jìn)行動力學(xué)分析 六、論文的進(jìn)度安排 進(jìn)度安排 1.第七學(xué)期：完成文獻(xiàn)翻譯、文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告的撰寫； 2.第八學(xué)期第1-2周：進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)，參數(shù)計(jì)算、建模仿真； 3.第八學(xué)期第3-4周：方案設(shè)計(jì)、草圖繪制； 4.第八學(xué)期第5-11周：完成機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成CATIA三維模型的建立、CAD圖紙的繪制、電算說明書撰寫； 5.第八學(xué)期第12-13周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書撰寫； 6.第八學(xué)期第14周：論文評審、查重和答辯。 七、畢業(yè)設(shè)計(jì)研制報(bào)告或畢業(yè)論文撰寫提綱（初步） 初步提綱 第一章--緒論 第二章--油氣彈簧總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章--單氣室油氣彈簧理論模型建立 第四章--油氣彈簧的特性仿真分析 第五章--四分之一車輛模型動力學(xué)分析 八、主要參考文獻(xiàn) [1] 孫文君．汽車油氣彈簧特性仿真研究[D]．遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009. 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