开题报告-宝马5系悬架设计及仿真分析

1本科毕业论文（设计）开题报告论文题目宝马5系20L悬架设计班级姓名院（系）导师开题时间21课题研究的目的和意义随着经济的发展和人们生活的日益提高，汽车成为工农业和人们日常生活必不可少的交通工具。随着汽车的不断普及，人们对汽车的性能（操纵稳定性与平顺性）要求日益提高，如何让兼顾操纵稳定性与平顺性，如何实现最优化成为汽车设计的一个重点。悬架是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。车辆在上下跳动过程中，车轮定位参数轮距、前束、外倾角、主销后倾角、主销内倾角等与轮距会产生运动学上的变化，悬架的运动学特性对汽车操纵稳定性起着至关重要的作用。通过对宝马5系20L汽车进行分析。研究多连杆悬架和双横臂式独立悬架的目的是保证高水平的操纵稳定性的前提下，获得比较好的平顺性。双横臂独立悬架不仅具有独立悬架的优点，而且摆臂不等长的独立悬架中的两臂长度如果选择适当，还可以改变独立悬架中的车轮与主销的角度和轮距克服造成轮胎磨损严重的缺陷。所以被广泛应用于轿车、高级轻型客车及高级豪华大客车，以改善整车的行驶平顺性和操纵稳定性。所谓行驶平顺性是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对驾乘人员的舒适性的影响限制在一定范围之内，而对载货汽车还应当保持货物的完好性。而汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到疲劳、紧张的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定性的能力。多连杆式独立悬架，这种悬架系统由布置在空间的35根连杆将转向节与车身连接起来，连杆的外端与转向节通过球铰连接，连杆的内端与车身通过橡胶衬套连接。相比传统的悬架系统，多连杆悬架系统提供了更大的设计自由度，如果各个连杆的位置以及橡胶衬套的刚度能够巧妙的设计，那么就可以利用纯机械的机构，被动且精确地控制主销轴线和车轮定位角的变化，改善汽车舒适度及操控性能。可以说多连杆悬架特别是五连杆式独立悬架系统是被动式悬架系统中最先进的技术。因其独特的优点,多连杆式独立悬架现今已广泛用于高档轿上。2国内外研究现状21多连杆悬架运动学研究概况211国外研究水平悬架运动学的研究在国外起步较早,几乎是从独立悬架的诞生起开始的，其3研究的主要内容为车轮定位参数车轮前束角、外倾角、轮距、主销后倾角（后倾拖距）、主销内倾角（主销偏移距）等对汽车稳态转向特性、直线行驶性能、回正性及路感等汽车行驶性能14的影响。德国人阿达姆措莫托所著的汽车行驶性能、德国学者WOLFGANGMATSCHINSKY编写的车辆悬架以及日本学者安部正人所著的汽车的运动与操纵等著作中都对汽车悬架运动学特性做了深入的讨论分析。近年来，研究多连杆悬架运动特性的方法不断涌现，在国外DMALEE等人推导出转向节的速度方程，并应用逐步线性化方法来求解位置问题，MOHAMED和ATTIA应用刚性连杆和转向节之间的约束方程获得悬架的运动特性，KNAPZYK和DZIERZEC提出的拆杆法以及LEEUNKOO等人的位移矩阵法等。212国内研究水平在国内，随着汽车工业的迅猛发展，悬架研究方法不断涌现，对于双横臂式悬架、麦弗逊式悬架等的运动学分析做过大量工作，而对于多连杆悬架系统，清华大学吕振华等利用机械原理中的拆杆法，对五连杆悬架进行了运动分析和受力分析，并应用一种迭代算法分析了考虑橡胶衬套弹性的悬架运动特性，讨论了衬套弹性对车辆性能的影响，清华大学宋健等和同济大学祁宏钟等分别采用瞬时轴线法和近似数值方法确定多连杆悬架的主销轴线，该方法简单可靠，对多连杆运动学理论分析打下基础。近年来，由于计算机的迅速发展，虚拟样机技术成为现代汽车设计的一项全新的技术，它基于多体动力学理论，能够在虚拟环境下模拟汽车的运动学以及动力学仿真，这种技术不仅能提高产品的设计质量，而且还大大地缩短了设计周期，为企业节省了大量成本。上世纪80年代起，多刚体系统动力学理论和方法已经较广泛应用于汽车技术领域，一些优秀的多体动力学分析的商业化软件（如MSCADAMS等）使得汽车悬架系统运动学分析技术日臻成熟和完善。吉林大学杨树凯在其发表的多连杆悬架与双横臂悬架运动学和弹性运动学特性分析中，利用ADAMS/CAR软件对两种悬架系统进行了运动学特性仿真对比分析。孙海林在研究生导师的指导下，根据某车辆多连杆独立悬架的设计参数，用ADAMS/CAR软件平台建立了多连杆式独立悬架的多体动力学模型，并针对多连杆悬架运动学对整车性能的影响进行了的阐述，总结出多连杆悬架的优缺点。同济大学的梁骏等从刚体系统出发，在ADAMS平台下对四连杆悬架进行了运动学分析。22双横臂式独立悬架双横臂式独立悬架系统设计的早期研究可追溯到20世纪30年代。传统的设计方法采用平面作图法或平面解析法等经验方法。其缺陷是忽略了主销后倾角及上、下摆臂轴线的空间角度的影响,所以很难获得精确的设计结果。同时,设计过程也是相当的繁复。221国外研究水平420世纪90年代，国外对其数学建模与分析进行了较多的研究，并取得了一定的成果。1990年WALLASCHEK提出了非线性数学模型谐波及统计线性化的方法。1997年DUYM用一种代数形式的经验公式来描述双横臂式独立悬架系统的非线性特性,仿真结果与实验结果基本吻合。1998年KUTI以有限元为工具,建立了一种客车悬架系统的非线性数学模型。这些研究表明，建立双横臂式独立悬架系统的简单而又比较准确的非线性数学模型，并将其用于乘坐动力学的非线性研究具有重要意义。特别是近几年来，摒弃了传统设计方法，比较流行的优化设计方法多是基于空间机构运动学原理及多刚体动力学理论，采用计算机辅助设计，获得了理想的设计结果，并有效地提高了工作效率。双横臂式独立悬架的设计、制造已比较成熟，而且成本低，工作可靠，是当今世界汽车工业中悬架的主导产品。222国内研究现状双横臂式独立悬架系统的研究在国内也有较长的历史。吉林工业大学的郭孔辉院士的文章国是较早的论文，随后的一些学者也对该问题做了研究。近几年来，北京理工大学，浙江大学等高校正在开展此方面的研究，并发表了一些论文。对于双横臂式独立悬架系统的研究，主要是应用线性理论研究汽车乘坐动力学。目前，双横臂式独立悬架产品已经实现国产化。但从总体上来看，国内对于双横臂式独立悬架系统的研究相对较少，产品主要是仿造国外，自主开发能力差，并且缺少具有自主版权的专用软件。在双横臂式独立悬架系统的研究中，国内基于线性理论的建模与仿真仍处于主导地位，而基于非线性理论的非数学建模与分析也已经引起重视，并有了一定的研究成果。23设计水平自20世纪90年代起，各主要发达国家在汽车产品设计开发领域中广泛采用信息技术、计算机技术、CAD/CAE/CAM/PDM技术、KBEKNOWLEDGEBASEDENGINEERING技术等先进手段，使设计水平大为提高，新车型的开发周期大大降低。以美国为例，在90年代初，轿车新车型的开发周期大约为56年，到90年代末已降为1218个月，具体到悬架设计方面，仿真分析、虚拟设计、反求工程、AI技术等已经获得推广应用。根据国际联机检索可以看出，国外己建立了悬架结构型式和悬架设计参数的知识库和专家系统，不同类型悬架的设计计算方法在国外已较为成熟，并有多项专利。值得一提的是，国外在悬架设计领域中的一些研究成果已经被某些大型的商品化的机械系统动力学仿真软件所吸收。例如，由美国著名软件公司MDI与AUDIBMWRENAULT和VOLVO等汽车公司合作开发的轿车设计软件包ADAMS/CAR，其中就包括了悬架模块，可以预测悬架系统特性、计算悬架载荷时间历程、进行装配性能研究等，从而有效地协助工程师完成设计任务。长期以来，国内汽车行业，特别是轿车、微型车行业基本上依靠国外技术生存。虽有众多专家、学者、业内人士不断强调培育本土设计开发能力的重要性，但在缺乏竞争力的环境下，相关企业往往出于短期利益考虑，不愿在此方5面进行大规模投入，致使这项工作难以真正落实到位。当前，国内轿车及微型车几乎都是引进国外技术生产的。需要注意的是，这种“引进技术”实际上只是引进国外现成的产品设计结果，而不是产品设计开发技术本身。因此，迄今为出，国内汽车行业对包括悬架系统在内的汽车底盘系统关键产品的设计机理，仍然知之甚少，重复引进到处可见与浪费惊人，而且也往往受制于人。3本课题的研究内容及技术方案结合宝马5系多连杆独立悬架和双横臂式独立悬架总体设计参数，通过设计，CATIA软件建立三维模型。然后通过MATLAB建立多连杆悬架的数学模型和双横臂式独立悬架，同时用ADAMS/CAR软件平台建立了多连杆式独立悬架和双横臂式独立悬架的多体动力学模型，互相验证模型的正确性，利用迭代法对弹性元件进行分析。并利用多目标遗传算法该悬架进行了多目标优化。1根据宝马5系的参数确定结构参数。2对悬架结构进行设计。3运用CATIA软件建立三维实体模型。4运用MATLAB优化工具箱,对已建立起的数学模型进行编程优化,分析优化得到结果来说明数学模型建立的可行性和精确性。5在ADMAS中对悬架进行建模仿真,模拟出前轮定位等性能特性参数随车轮转向或是轮胎上下跳动而变化的关系曲线,对比优化前后的特性曲线，研究分析主销及和前轮定位角随车轮上下跳动时的变化规律，通过与数学模型的对比分析，其一致性相互验证了各模型的正确性。4本设计的特色在内容上通过对实体车型的参数数据进行结构设计，并且通过CATIA建立三维模型和MATLAB建立数学模型，进行运动学分析以及优化分析。在研究方法上采用迭代法对多连杆式独立悬架进行分析。对于双横臂式独立悬架，结合多目标遗传算法，以悬架摆臂长度和初始位置作为优化变量，对最大滑移量、外倾角、定位参数等进行优化。5进度安排第12周搜集资料，写开题报告；第310周对前后悬架进行结构设计；第1113周建立前后悬架的三维实体模型第1314周建立MATLAB模型并结合ADAMS进行动力学分析和优化。6第1617周撰写说明书；第18周准备答辩。6参考文献1王其东，赵韩，李岩，祝少春汽车双横臂式独立悬架机构运动特性分析合肥工业大学学报自然科学版，第24卷第6期，2001年12月2耶尔森赖姆帕尔、王瑄译悬架元件及底盘力学吉林吉林科学技术出版社。1992,2184143黄志平基于ADAMS的五连杆悬架性能研究，西南交通大学硕士论文，2009,54杨树凯多连杆悬架与双横臂悬架运动学和弹性运动学特性分析1吉林大学2第一汽车集团公司技术中心3河北工程大学5林逸等滑柱摆臂式悬架空间运动分析汽车技术，199056吕振华,徐建国五连杆悬架的刚体运动学和弹性运动学分析J设计计算研究，2002117宋健，石磊。多连杆式前悬架主销轴线的确定J公路交通科技，2001,186991028祁宏钟等。确定五连杆悬架虚拟主销轴线的近似数值方法J机械设计与制造，2002,1576010阿达姆措莫托著，黄锡朋，解春阳译