某車油氣彈簧前懸架設計

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[26] 馮立陽，樂渭清. 油氣彈簧設計中的幾個關鍵問題[J].液壓與氣動.1996 (1) :6-8. 九、指導教師意見 簽名： 20 年 月 日 十、開題審查小組意見 （要求具體意見，對前7項進行評價，結論：通過，不通過） 開題審查小組組長簽名： 20 年 月 日 學 院 專業(yè) 學生姓名 學號 指導教師 職稱 合作導師 職稱 論文題目 某車油氣彈簧前懸架設計 文獻綜述（主要包括國內外現狀、研究方向、進展情況、存在問題、參考文獻等）（5000字以上） （說明：文獻綜述是通過系統地查閱與所選課題相關的國內外文獻，進行搜集、整理、加工，從而撰寫的綜合性敘述和評價的文章。要體現“綜合性”、“描述性”、“評價性”的特征。主體部分的結構包括該課題的“研究歷史”的回顧，“研究現狀”的對比，以及研究的“發(fā)展趨勢”） 前言 懸架系統對汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性等性能都有非常重要的影響，是現代汽車的關鍵總成之一，因此合理選擇懸架設計方案、基于整車性能對懸架結構參數進行優(yōu)化匹配具有十分重要的意義。車輛懸架從結構功能而言主要由彈性元件、減振裝置及相關的導向機構組成。傳統的懸架形式結構簡單、可靠性高，但是其空滿載車身高度變化幅度大，偏頻隨載荷而變【】，無法實現懸架參數與整車性能在不同承載狀態(tài)下的良好匹配，無法解決整車各個性能要求之間的矛盾。隨著車輛研究技術的不斷發(fā)展和人們對車輛性能要求的不斷提高，傳統形式懸架將逐漸被各種新型的懸架系統所取代【2】。 本文主要進彈簧車用油氣彈簧的設計與分析的研究。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上發(fā)展出來的。它采用金屬容器作為氣室，以惰性的氮氣作為彈性元件，并在活塞和氣體之間有油液作為中間介質。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節(jié)功能，通過油氣彈簧的設計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。 油氣懸架將液壓和氣壓傳動、控制技術與懸架技術融合在一起，是一種技術先進、性能優(yōu)良的車輛懸架，它克服了傳統懸架的上述缺點：其非線性特性可以實現車輛在不同承載狀況下的偏頻基本保持不變，從而使懸架結構參數與整車性能在不同承載狀態(tài)下都能達到良好的匹配，提高了整車的平順性；油氣懸架可以通過充油放油的方式實現車身的舉升與下降，改變車身離地間隙，從而提高整車的通過性；以車身傾角和懸架高度為控制信號，通過一定的解算方法求出各個油氣懸架充放油量，可以實現車載平臺的調平功能；將各輪油氣懸架通過油液管路進行耦連可以改變整車的側傾及縱傾剛度，對車身姿態(tài)進行控制，提高了車身姿態(tài)的穩(wěn)定性及行駛安全性。由于油氣懸架具有普通懸架所無法比擬的優(yōu)點，近年來發(fā)展很快，在整車上的使用率也逐步提高【3】【4】。 油氣彈簧國內外研究應用狀況 國外應用現狀 油氣彈簧自20世紀50年代美國WABCO公司首次提出，國外車輛領域學者對此作了大量的研究工作，對油氣彈簧的密封和阻尼調節(jié)等技術作了詳細的研究，提出了改善油氣彈簧減振特性、提高其密封性能和使用壽命的方法，另外在油氣彈簧的結構研究方面，也取得了一定的成果。而油氣懸架開始于60年代后期，并首先應用在賽車和轎車領域【5】。 20世紀70年代，油氣懸架以優(yōu)越的性能滿足了多數車輛的要求使它們的平順性和操穩(wěn)性得到了較大的提升。在技術方面，國外定性定量的研究工作比較全面，對于如何進行產品結構參數的優(yōu)化設計以及結構參數的變化如何影響油氣懸架的性能，都有較好的研究成果，但因為這是結構設計的關鍵，屬于企業(yè)的商業(yè)機密，因此很難得到這方面的相關資料，充其量不過是油氣懸架的簡化數學模型、仿真及其仿真結果的試驗驗證等。70年代末，Moulton Development Ltd的A.E.Moultin和A.Best發(fā)明了集減振器與支撐彈簧于一體的油氣懸架系統，并于1979年進行了油氣懸架的工程應用和分析、注冊了“Hydragas”（油氣）商標，并對油氣液體內聯式懸架進行了性能、質量、成本和安裝方面的詳細研究分析，為油氣懸架研究的發(fā)展奠定了基礎[6]。1980年后，油氣懸架在德國和日本的重型車輛上得到了應用并迅速發(fā)展[7].在軍用車輛方面有美國的AA7VA1兩棲裝甲戰(zhàn)車、法國的AMX-10RC輪式運兵車、瑞士Piranha輪式坦克等；在工程及礦業(yè)車輛上有德國Liebberr公司的CXP系列和美國Grove公司的全路面起重機、日本Hitachi公司的輪式挖掘機、美國Cateroillar公司的TS-24B自行鏟運車和瑞典Volvo公司的VME R190型礦用自卸車等；在賽車及轎車方面有法國雪鐵龍公司的Xantia系列轎車以及DS19和ID-19型賽車，并在一些特種車輛如導彈運輸車、火箭發(fā)射車、衛(wèi)星運輸車上也有應用[8]。 國外研究現狀 1. 建立新型合理的油氣懸架的數學模型。 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、剛度特性納入到數學模型中，使得理論懸架系統符合實際，成為非線性系統。目前建立油氣懸架的數學模型方法可以分為參數化和非參數化，比較早的有 Worden全面介紹了單筒式油氣懸架的參數化和非參數化建模方法，他指出應用參數化方法建立的模型能夠比較精確地描述油氣懸架內在狀態(tài)變化，適用于油氣懸架系統特性的研究，但這種方法的缺點是校驗時間長、計算速度慢[9]；應用非參數化方法建立模型時，對所研究的系統可以一無所知，只需要在函數空間中尋找一簇函數來逼近系統的特性，然后在某種最佳的準則意義下計算出每個函數的系數即可，但非參數化模型一般建立在對系統進行大量試驗研究的基礎之上。兩者均有其局限性，國外學者試圖結合參數化和非參數化兩種建模方式實現對油氣懸架數學模型的建模工作。由于各種建模和分析方法都有其自身的特點和局限性，因此，必須針對具體問題采用適當的方法對系統進行理論分析和參數識別。下面通過查閱文獻整理出一些比較有代表性的研究。Koenraad 根據油氣獨立懸架油缸的內部結構，提出利用有關物理定律建立油氣懸架油缸初始模型，然后通過試驗對模型進行參數識別，建立油氣懸架的參數化數學模型[10]。Kwangjin Lee 建立了單缸單氣室油氣懸架的參數化模型，指出高速激勵時，油氣懸架內氣穴現象產生的主要原因是，孔口壓差過大引起液壓腔壓強低于液壓油的氣化壓強，并通過臺架試驗對比了不同溫度下的輸出力-位移曲線[11]。Frank 在綜合考慮氣體多變過程、孔口紊流出流方程、庫侖摩擦力、油液的可壓縮性和緩沖限位塊等非線性因素后，建立了油氣懸架的非線性數學模型，采用等效線性化方法對建立的油氣懸架數學模型進行線性化，并找出影響油氣懸架系統性能的主要因素[12]。Rideout 對互連式油氣懸架系統進行了動態(tài)測試研究，利用試驗數據建立了互連式油氣懸架的線性模型、雙線性模型和慣性模型[13,14]。 Felez 提出了一種建立多軸汽車起重機的互連式油氣懸架模型的方法——功率鍵合圖法，指出在多軸起重機上油氣懸架相比傳統懸架具有諸多優(yōu)勢，并且互連式結構優(yōu)于獨立結構的油氣懸架系統[15]。Yousefi 提出一種通過低階近似的方法對油氣懸架非線性模型進行線性化處理的方法，通過設計一個包括模型特征參數的狀態(tài)空間，使得狀態(tài)變量及其導數的近似值均達到最小[16]。 2. 新型結構形式的油氣懸架的開發(fā)和主動控制策略的研究。 新型結構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)應用。利用油氣懸架變阻尼相對簡單的優(yōu)勢，調節(jié)阻尼實現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行處理，再通過調節(jié)阻尼閥口大小，改變油缸和蓄能器之間的阻尼力，實現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入液壓缸，實時控制懸架輸出力。 國內應用現狀 國內研究人員對油氣懸架的研究起步比較晚，從20世紀80年代，國內研究人員才開始關注油氣懸架。1984年上海重型汽車制造廠率先將油氣懸架應用到該廠的兩種型號的礦用自卸車上【17】 但由于其可靠性和密封性方面的問題，沒能得到廣泛應用。此后，湘潭電機有限公司對不同噸位礦用自卸車引進國外油氣懸架，進行了一定程度的技術消化，促進了我國國內油氣懸架技術的推廣應用。徐州工程機械集團有限公司于 1992 年、湖南浦沅工程機械廠于 1994 年，先后從德國利勃海爾公司引進了 LTM1025、LTM1032 和 LTM1050 型全地面起重機，促進了油氣懸架技術的推廣和應用；近年來，油氣懸架技術在軍用車輛領域的研究投入不斷加大，促使了油氣懸架技術的迅速發(fā)展，已有許多裝有油氣懸架的軍用車輛試制、試驗，但由于可靠性、經濟性方面的原因，離量產還有一段距離。 總體來說，國內油氣懸架方面的研究多集中在計算機仿真、國外產品分析、原理介紹、臺架試驗和原理樣機的研制上，目前還沒有形成一套切實有效的方法和理論去指導油氣懸架的設計和研發(fā)，離國外的油氣懸架技術還有一定的差距。 國內研究現狀 最早進行油氣彈簧研究的是武漢水運工程學院陶又同教授，他用示功圖法辨識了油氣彈簧模型[18]； 1994年孫求理單獨對單氣室油氣懸架進行理論研究，并在此基礎上進行了優(yōu)化設計【19】。同年，高凌風探討了互聯式油氣懸架剛度對車輛振動響應的影響【20】。1998年趙春明以某起重機為研究對象，使用功率鍵合圖法對油氣懸架系統在路面不平度激勵下的振動響應特性進行分析與研究【21】。2000年吳仁智建立了包含油液可壓縮性等非線性因素的油氣懸架數學模型【22】。2001年，河北工業(yè)大學馬國清碩士用Matlab/Simulink搭建了油氣懸架系統1/4車輛模型，分析了油氣懸掛系統的阻尼特性和剛度特性，預測了懸架參數變化對系統阻尼特性和剛度特性的影響[23]。2002年曹樹平建立了考慮摩擦的油氣懸架模型，并對其油氣懸架剛度和阻尼非線性進行了分析與研究【24】。2004年上海交通大學汽車研究所的鄒游等人對單氣室油氣懸架的非線性剛度進行了數學分析，并使用兩自由度的車輛振動模型對油氣懸架的平順性進行仿真分析[25]；另外上海交通大學的莊德軍博士對油氣懸架從數學建模到驗證，使用魯棒性控制建立了主動油氣懸架的模型，并對車輛的側向及垂向性能進行了研究[26]；2005年，周德成采用了實際氣體狀態(tài)方程來建立油氣懸架彈性力模型，通過臺架試驗對其數學模型進行了驗證，并研究了油氣懸架缸摩擦力對輸出特性的影響[27]。同年，，王智明基于分形理論，對 SGA3550 型礦用汽車油氣懸架的輸出力特性進行了研究[28]。2008年郭孔輝院士結合試驗數據和虛擬仿真結果，驗證了油氣消扭懸架的可靠性【29】。2009年燕山大學甄龍信考慮油氣懸架的密封性以及摩擦等非線性因素，完善了油氣懸架的非線性數學模型，并通過軟件仿真分析修正了所建立的油氣懸架振動模型，驗證了油氣懸架振動模型的準確性【30】。北京理工大學楊杰等人對油氣懸架的具體閥件進行了分析，從仿真結果詳細闡述了閥件參數對懸架阻尼的影響[31]；吉林大學借助于國家汽車重點實驗室，對郭孔輝院士發(fā)明的油氣懸架進行了詳細分析，從理論到試驗，比較全面的研究了新油氣懸架的特性[32-35]；北京理工大學趙玉壯博士在其博士論文中非常詳細的對油氣懸架非線性部件進行了具體的數學建模和分析，并對阻尼控制技術在油氣懸架上的應用進行了硬件設計[36]。北京理工大學張軍偉針對多支路油氣懸架進行了理論和實驗研究，利用分數階理論建立了油氣懸架數學模型，并對多支路油氣懸架存在的剛度阻尼耦合性和非一致性進行了深入的研究[37]。同年，劉剛在其博士論文中提出一套互聯式油氣懸掛系統設計方案，仿真分析了該系統剛度、阻尼特性，并在此基礎上對四軸車輛進行了操穩(wěn)性和平順性仿真和實車試驗，驗證了該套系統方案的可行性[38]。 國內學者對油氣懸架的研究主要集中在以下五個方面： 1. 油氣懸架設計基本理論的研究: 國內研究人員對這方面研究比較多，主要集中在對油氣懸架系統的剛度和阻尼非線性化定性研究以及整車行駛的平順性評價方法研究，其中包括：利用油氣彈簧運動速度、油液流量、阻尼孔大小之間的關系，建立油氣懸架阻尼特性分段函數數學模型等 2. 特定車輛的油氣懸架系統仿真以及應用: 國內一些高校都在不斷完善自己的油氣懸架模型，并通過仿真分析和試驗分析的方式對其進行修正，以達到更理想的效果。但相比較國外同類產品的性能，包括平順性、可靠性等都還有較大的差距，而且采用半主動、主動控制的產品很少。 3. 新型結構形式的油氣懸架的研究: 目前國內還尚未形成一套簡單易行、切實可靠的方法和理論去指導油氣懸架系統的設計，仍還處于國外樣機類比、參考設計，試驗修改階段。由于油氣懸架試驗研究的投資巨大，而且目前國內在油氣彈簧試驗方面的投入較少，資金也比較分散。因此，當前要形成一套完整的傳統設計方法是比較困難的。而優(yōu)化設計只需要正確的油氣懸架系統的數學模型，以車輛的性能力目標，通過適當的最優(yōu)化算法便可求得油氣彈簧的參數。相對于傳統的設計方法來說，開展油氣懸架的優(yōu)化設計研究更具有現實意義。 4. 油氣彈簧閥系參數解析優(yōu)化設計及CAD軟件開發(fā)研究 油氣懸架的特性主要是由油氣彈簧的節(jié)流閥參數所決定的，即油氣彈簧的節(jié)流閥參數決定和影響油氣懸架的非線性阻尼特性，影響車輛的減振效果。目前，山東理工大學利用所建立的油氣懸架設計基本理論，根據油氣懸架所要求的最佳阻尼特性，利用油氣懸架開閥速度點以及油氣彈簧速度、液壓油液流量、節(jié)流壓力和閥片變形之間的關系，建立了油氣彈簧節(jié)流閥參數設計數學模型和黃金分割優(yōu)化設計方法，實現了油氣彈簧節(jié)流閥參數解析設計。在此基礎上，根據所建立油氣彈簧節(jié)流閥參數設計數學模型和黃金分割優(yōu)化設計方法，利用AutoCAD開發(fā)系統平臺和VC++編程工具軟件，開發(fā)了油氣彈簧節(jié)流閥參數CAD軟件，實現了油氣懸架現代化CAD設計。 5. 利用對油氣彈簧進行實驗所得出的數據反求油氣彈黌的參數。 通過試驗的手段得出最能真實、準確反映油氣彈簧特性的數據，在此基礎上，對結構參數進行參數反求，目前，國內主要對節(jié)流閥參數進行反求。 油氣彈簧的應用領域 油氣彈簧目前主要用于一些軍事車輛、高級轎車、豪華客車、重型載貨汽車及工程車輛中。 1. 軍事車輛。油氣懸架具有良好特性，因此廣泛應用于軍事車輛中，例如，意大利生產的“半人馬座”輪式裝甲車、法國生產的AMX-10RC輪式輸送車、瑞士生產的“鋸脂鋰”輪式坦克等。 2. 全路面汽車起重機。如德國利勃海爾公司生產的LTM系列起重機、美國格魯夫公司生產的AT系列起重機、日本鋼鐵株式會社生產的RK系列起重機、徐州重型機械廠生產的QAY25起重機。 3. 鏟運機械。如美國卡特彼勒公司生產的TS-24B自行鏟運機。 4. 輪式挖掘機。如日本日立建筑機械有限公司生產的10噸輪式挖掘機。 5. 礦用自卸車。如美國卡特彼勒公司生產的CAT789自卸車、沃爾沃公司生產的VMER90自卸車、上海重型汽車制造廠生產的SH380、SH382自卸車。 油氣彈簧的特征 油氣彈簧懸架與其他種類懸架比較，具有的優(yōu)點： 1） 非線性剛度；2）非線性阻尼；3）車身高度自由調節(jié)；4）剛性閉鎖；5）改善車輛運動性能；6）單位儲能比大。 油氣彈簧懸架具有以上優(yōu)點的同時，也存在許多不足之處： (1)剛度的非線性和阻尼的非線性，決定了油氣懸架是一個非常復雜的系統，大大增加了其建模及 動態(tài)特性研究的難度；(2)需要額外的一套供油裝置,如油泵、控制閥等；(3)系統復雜，維修維護難度大，且需要專門的配套設備；(4)密封要求較高，易出現泄漏；(5)成本高，經濟性不好。 國內亟待解決的問題 從油氣懸架的發(fā)展現狀可以看出，國外已經到達應用階段，而國內還處于理論研究，試驗修正階段，差距很大，需要做如下幾方面的努力 (1) 系統性、基礎性研究。這需要增加研究、開發(fā)經費，引進和設計試驗設備。高?？梢越柚髽I(yè)試驗平臺，既進行了油氣懸架理論研究、仿真分析，同時又研究了油氣懸架具體結構設計，開發(fā)出獨立自主的油氣懸架產品。? (2) 加強結構設計和優(yōu)化設計方面的研究。研究油氣懸架的剛度特性、阻尼特性、頻率特性定性定量說明，懸架減振效果的定性定量說明等。? (3) 規(guī)范研究設計規(guī)則。由于油氣懸架系統性、基礎性研究已經逐步加強，理論研究、實際設計相結合模式也在不斷的深入，所以需要建立一套通用的油氣懸架設計規(guī)則，使對油氣懸架的研究設計更加規(guī)范化、系列化。? (4) 研制、開發(fā)整車和多橋油氣懸架系統虛擬樣機，實現懸架系統的參數化、可視化設計，并針對油氣懸架系統開發(fā)專門的計算機仿真軟件。 (5) 從被動懸架技術向半主動懸架、主動懸架技術發(fā)展，選擇微處理器系統，采用電子自動化控制，最終實現油氣懸架的主動化自適應智能控制系統。油氣懸架系統是一種新型的油氣懸架系統以現代機械制造技術為依據，結構和性能在逐漸地改進和完善。油氣懸架系統在國內車輛底盤技術上的需求也在不斷地增大，應用前景非常廣闊。 (6) 油氣懸架的優(yōu)化設計。不單純是油氣懸架參數的優(yōu)化，還應該包括不同的油氣懸架結構性能差異的對比以及對車輛各種性能的影響，并在設計油氣懸架是將優(yōu)化結果納入其中，從而大幅度提高車輛性能。 因此，油氣懸架進一步發(fā)展的方向是，建立準確的模型，在對懸架系統性能、懸架剛度特性和阻尼特性定性定量分析的基礎上，結合微處理器技術，提出有效的控制算法，進一步提升懸架性能和改善整車性能。 參考文獻 1) 郭孔輝.懸架設計[C].郭孔輝院士論文集.長春:吉林大學出版社,2005.6:33-100. 2) 王望予.汽車設計(第4版)[M].北京，機械工業(yè)出版社，2004: 209-212. 3) 吳仁智.油氣懸架系統動力學建模仿真和試驗研究[D].杭州：浙江大學，2000. 4) 陳禹行.油氣耦連懸架系統的建模與仿真分析[D].長春：吉林大學，2009.. 5) 仝軍令、李威、管連俊、王愛兵.礦用車輛懸架系統的現狀與發(fā)展[J].煤礦機械,2000,(12). 6) Emura J, Karlzaki S, et al. 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