毕业设计（论文）-汽车空气悬架试验系统方案设计（全套图纸） .doc

南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计目录前言.1第一章绪论.21.1空气悬架结构与分类.21.2空气弹簧悬架国内外发展历史和现状.31.3本论文研究的目的、内容和意义.4第二章汽车振动的简化及分析.52.1振动的简化.52.2车身与车轮双质量系统的振动分析.6第三章空气悬架系统元件概述.93.1空气弹簧.93.1.1空气弹簧特性.113.1.2空气弹簧特性试验.133.2减振器.143.3高度控制阀.16第四章控制方式.184.1最优控制方法.184.2自适应控制方法.194.3模糊控制和神经网络控制方法.19第五章信号采集、控制元件的选择.205.1试验台信号采集、控制方案设计.205.2元件选择.205.3信号采集装置的布置及刚度、高度调节.22第六章机械元件的设计、校核.236.1空气弹簧设计计算.236.1.1空气弹簧刚度计算.236.1.2附加空气室设计.246.2减振器选择与计算.256.3轮胎当量螺旋弹簧的设计、校核.266.4减振器螺栓的校核.266.5立柱的设计.276.6簧上、簧下质量的确定.276.6.1簧上质量的确定.27南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计16.6.2簧下质量的确定.28结论.29致谢.30参考文献.31附录前言汽车空气悬架近几年开始发展迅猛，在空气悬架中，空气弹簧是主要的弹性元件，它代替了传统悬架中的螺旋弹簧，是一种新型的弹性元件，它的刚度可根据具体情况灵活改变，使乘坐舒适性大大提高。不仅如此，配合其特有的高度控制阀，它还可以自动调整车辆高度，增加高速时的行车安全性。与传统汽车悬架相比，空气悬架有许多性能优点是传统悬架无法与之匹敌。本论文首先在熟悉空气悬架各零部件的工作原理和结构的基础上，主要根据学校实验室现有的一个四分之一模拟悬架机械装置，针对空气悬架试验台系统的要求对上述四分之一模拟悬架机械装置进行改进和优化，然后对空气悬架总成中的重要零部件进行型号选择和论证，确定整个试验台的功用和结构布局，以方便后期试验台的制造。本论文所涉及的是南京林业大学车辆半主动悬架智能控制器研究(校创新基金CX2004-05)项目中的一部分。黄义龙2007年5月南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计2第一章绪论1.1空气悬架结构与分类悬架是现代汽车的重要总成之一，它是车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接机构的总称。其主要任务是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。空气悬架，顾名思义，就是以空气弹簧为弹性元件，利用气体的可压缩性起弹性作用的。压缩气体的气压能够随载荷和道路条件变化而进行自动调节，不论满载还是空载，整车高度不会变化，可以大大提高乘坐的舒适性。其总成由两部分组成：第一部分主要为结构件，包括空气弹簧、减振器、横向稳定杆及各种安装支架等；第二部分为气路和控制系统，包括空气压缩机、储气筒、空气滤清器、干燥器、限压阀、安全阀、高度控制阀组件、管路、密封件等。如图1.1和1.2所示为某客车空气悬架的前悬和后悬。图1.1前悬图1.2后悬空气悬架按具体结构可分为以下三种：全长钢板弹簧并用式空气悬架、钢板弹簧后端式空气悬架、平行杆式空气悬架，分别如图1.3，图1.4、图1.5所示。南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计3图1.3全长钢板弹簧并用式图1.4钢板弹簧后端式图1.5平行杆式空气悬架还可按进气的控制方式分为机械控制式和电子控制式两种。空气悬架因为空气弹簧具有非线性刚度特性，因此可以得到较低的固有振动频率，保证了汽车良好的行驶平顺性；而且空气悬架质量轻、弹簧刚度低，可以提高轮胎的附着能力，缩短制动距离，提高了整车的操纵稳定性；相对板簧结构而言，空气悬架车体平稳，从空载到满载的整个范围内都能有效隔断路面传递的振动，具有防震、防噪声等功能；但空气弹簧结构复杂，制造成本高；空气弹簧尺寸大，布置困难；密封环节多，密封困难。1.2空气弹簧悬架国内外发展历史和现状空气弹簧诞生于十九世纪中期，早期用于机械设备的隔振。1947年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，到1964年，美国生产的25种公共汽车中，有23种使用了空气弹簧悬架。美国的通用汽车公司在1958年就生产了装有空气弹簧悬架的牵引车。1961年，德国开始在大多数公共汽车上使用空气弹簧，到1964年，德国生产的55种大中型客车中，有38种使用了空气弹簧悬架。此后意大利、英国、法国及日本等国家相继对空气弹簧作了大量的研究工作。目前，空气弹簧悬架在国外豪华汽车上已经被广泛采用，在高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到100%，在中、重型货车以及挂车上也超过80%，如美国的Ford，德国的Benz、Man、Neoplan，瑞典的Volvo，法国的雷诺，日本的尼桑、日野、五十铃、三菱等。同时部分高级轿车上也有选装空气弹簧悬架的，如美国的林肯，德国的Benz300SE和Benz600等。我国早在二十世纪五十年代就对空气弹簧进行了研究，1957年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行空气弹簧橡胶气囊的设计与研究，同年底制造出我国第一辆空气悬架货车。1958年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气弹簧悬架。八十年代初长春汽车研究所再次进行空气弹簧悬架的研究，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气弹簧悬架，当时车身自振频率可降低到1.11.2Hz，平均车速提高了17%。悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了5060公南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计4斤。这期间国产空气悬架存在的主要问题是橡胶气囊的寿命偏低和高度控制阀泄漏等没有得到很好解决。上世纪九十年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气弹簧悬架及空气弹簧悬架客车底盘，对其产品进行技术改进，以提高其产品的技术含量，抢占国内高档客车市场，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司等。同时国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究。如东风汽车工程研究院，中国重型汽车集团公司，上海汇众汽车制造公司，淝河汽车制造厂，交通部重庆公路科学研究所，江苏省交通科学研究院，湖北大学，同济大学，北京理工大学等。在这段时期沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了GB11612-89客车空气悬架用高度控制阀和GB/T13061-1991汽车悬架用空气弹簧橡胶弹簧国家标准，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。为了满足空气弹簧悬架维修配件的需要，近年来国内一些企业正在生产空气弹簧悬架零部件，如贵州前进橡胶有限公司、山东莱州市橡胶厂、铁道部四方车辆研究所等厂家，主要生产各种膜式和囊式空气弹簧气囊，应用于汽车、铁路车辆和一些机械设备上。也有些曾经生产过或正在生产高度控制阀的厂家，如铁道部科学研究院机车车辆研究所，华中理工大学，中国电子工程设计院，交通部重庆公路科学研究所，浙江瑞安市东欧汽车零件厂等。1.3本论文研究的目的、内容和意义随着我国公路运输业的发展，人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性提出更高的要求。在传统的被动悬架中各参数一经确定就无法改变，从而限制了汽车性能的进一步提高。阻尼或刚度参数可调节的半主动悬架，可以根据汽车的行驶状态和道路激励大小自动调节悬架参数，使其始终保持在最优设定状态，提高了汽车行驶平顺性和操纵稳定性，空气弹簧悬架具有自振频率低、弹簧刚度可调、振动及噪声小、使用寿命长等特点，推广使用空气弹簧悬架可以有效地解决上述问题。目前，国内外对半主动空气弹簧悬架已经进行了一些研究，尤其是在空气弹簧悬架设计和空气弹簧悬架控制及整车匹配技术方面做了大量开创性的工作。但是，对于空气弹簧悬架的研究必须从实验室开始，实验室研究又必须以试验台为基础。至于试验台的研究设计目前国内也就只有几所大专院校正在进行，有些还仅限于仿真阶段，或者进行某个部件的试验研究，基本上没有详细、全面的科研成果。本试验台系统方案的设计就是为了能够更好的设计出符合研究和试验使用的试验台而进行的。通过对空气悬架系统的各种元件进行正确的选型和论证，构造出符合研究和试南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计5验使用的试验台就是本论文的目的和内容。研究用试验台一旦成功设计制造出来，它将最大可能的模拟车辆悬架系统的真实的工作情况，试验出来的准确数据将是实际车辆悬架系统设计、生产和制造的直接参考依据，试验数据的正确与否将关系到实际车辆悬架系统设计、生产和制造流程的周期与成本。因此，本论文所研究的关于汽车空气悬架试验系统方案设计整个悬架系统设计、生产和制造流程中最为关键，也最为重要的第一步。第二章汽车振动的简化及分析2.1振动的简化汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行简化。图2.1为一个把汽车车身质量看作刚体的立体模型。汽车的悬挂质量为2m，它是由车身、车架及其上的总成所构成。该质量绕通过质心的横轴y的转动惯量为yI，悬挂质量通过减振器和悬架与车轴、车轮相连接。车轮、车轴构成的非悬挂质量为1m。车轮在经过具有一定弹性和阻尼的轮胎支撑在不平的路面上。在讨论平顺性时，这一立体模型的车身质量主要考虑垂直、俯仰、侧倾3个自由度，4个车轮质量有4个垂直自由度,共7个自由度。图2.1四轮汽车的简化的立体模型图2.2双轴汽车简化的平面模型当汽车对称于其纵轴线且左右车辙的不平度函数x(I)=y(I)，此时车身只有垂直振动Z和俯仰振动，这两个自由度的振动对平顺性的影响很大。图2.2为汽车简化成4个自由度的平面模型。在这个模型中，又因轮胎阻尼较小而可以忽略不计，同时把质量2m，转动惯量yI的车身按动力学等效的条件分解为前轴上、后轴上及质心C上的3个集中2fm、2rm、2cm。这3个质量由无质量的刚性杆连接，它们的大小由下述3个条件决定：1)总质量保持不变2222mmmmcrf(1)南京林业大学毕业设计汽车空气悬架试验系统方案设计62)质心位置保持不变220frmamb(2)3)转动惯量的值保持不变222222yyfrImmamb(3)式中y为绕横轴y的回转半径；a、b为车身质量部分的质心至前、后轴的距离。由式(1)、(2)和(3)得出3个集中质量分别为：2fm=2m2yaL2rm=2m2ybL2cm=2m2(1)yab式中的L为轴距。通常，令=2y/ab，并称其为悬挂质量分配系数。由上面3个式子可以看出当=1时，联系质量2cm=0。根据统计，大部分汽车的=0.81.2，即接近于1。在=1的情况下，前后轴上方车身部分的集中质量2fm、2rm的垂直方向运动是相互独立的。在此的情况下，当前轮遇到路面不平度而引起振动时，质量2fm运动而质量2rm不运动；反之也是这样；因此，在这种特殊情况下，可以分别讨论图2.2上2fm和前轮轴以及2rm和后轮轴所构成的两个双质量