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汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真【带proe三维图】【12张CAD图纸+PDF毕业论文】

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关键词：: 汽车半主动悬架磁流变减震器设计仿真 proe三维 12 十二 cad图纸毕业论文磁流变减震器半主动悬架汽车半主动悬架磁流变减震器

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汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真

43页 24000字数+说明书+任务书+开题报告+proe三维图+12张CAD图纸【详情如下】

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摘要 ...............................................................................I

第 1章绪论 .......................................................................1

1.1课题研究背景与意义.............................................................1

1.2磁流变液以及磁流变效应.........................................................2

1.3磁流变液的工作模式.............................................................3

1.4磁流变液阻尼器国内外的研究情况.................................................4

1.5本文研究的主要内容.............................................................5

第 2章磁流变减震器阻尼器力学模型 ..............................................7

2.1引言...........................................................................7

2.2阻尼力学模型...................................................................7

2.3结构参数对阻尼力的影响........................................................12

2.4本章小结......................................................................13

第 3章磁流变阻尼器设计 .......................................................、14

3.1结构设计......................................................................14

3.2磁路设计......................................................................23

3.3磁流变减震器细节问题的探讨....................................................28

3.4本章小结......................................................................29

第四章磁流变减震器的外特性仿真 ...................................................30

4.1拉伸行程时的建模及仿真........................................................30

4.2压缩行程时的建模及仿真........................................................33

4.3本章小结......................................................................35

第 5章总结与展望 ................................................................、36

5.1总结..........................................................................36

5.2展望..........................................................................36

致谢 ...............................................................................37

参考文献 ...........................................................................38

汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真

摘要

汽车悬架系统是汽车的重要组成部分，而采用磁流变液作为工作介质的减震器是当前汽车减震

器研究的重点内容。磁流变液作为新型智能材料应用于减震器上克服了传统减震器反应不够迅速、

能耗大的缺憾。磁流变减震器的结构简单、响应快、控制简单，它能根据车辆行走的实际路面工况

进行实时可变调节，满足了人们对汽车乘坐安全性、舒适性以及炒作稳定性的要求。

本文结合微型汽车磁流变半主动悬架减震器的设计研究上，设计了一款由活塞组件构成的滑阀

式减震器，并对该减震器建立了阻尼力学模型，还采用matlab对外特性进行了模拟仿真。本文主要

从以下几个内容进行了设计：

首先，分析了针对磁流变液建立了三种不同的工作模式，并对每种模式进行分析，通过对其工

作模式的力学模型进行结构参数的分析，再结合本次设计的减震器的结构，建立了属于本减震器结

构的阻尼力学模型，为减震器的外特性仿真奠定了很好的基础。

其次，对减震器进行了结构的设计，为解决磁流变减震器的空间体积与有效阻尼通道之间的矛

盾，在不增加减震器空间体积的情况下，设计了一款活塞组件组成的滑阀式减震器。并为所设计的

减震器提出了需要探讨的问题。

最后，对所设计减震器进行外特性仿真，通过外特性仿真，证明了本次设计的减震器的阻尼力

可调倍数与磁流变液剪切屈服应力的关系。

关键词：磁流变减震器；阻尼力学模型；有效阻尼通道；仿真；阻尼力可调倍数

磁流变效应：在无磁场的作用下磁流变液表现为牛顿流体的特性。其剪切应力与粘

度、剪切率成正比；在外加磁场的作用下，磁流变液表现为 Bingham流体特性，其剪切

应力由液体的屈服应力和粘滞力两部分组成。其流变特性表现为：屈服应力随着磁场强

度的增加而单调增加，即屈服应力与磁场强度成一定比例；当液体的粘度保持不变的情

况下，而外加磁场达到某一临界值时，磁流变液将达到固化而停止继续流动，当撤消外

加的磁场时，它又恢复到原来的流体状态，这一过程的变化仅为几个毫秒。这种随着外

加磁场强度的变化而不断改变流变特性的现象，即为磁流变效应。

磁流变的流变机理：在没有外加磁场作用时，磁流变液中的微小软磁性微粒的分布

呈现出杂乱无章的状态；而在有外加磁场作用时，磁流变液中的微小软磁性微粒呈现出

非常有序、沿着磁场方向分布排列的现象，这种排列在中等磁场时呈链状当磁场强度不

断增大时，便成了链束状，在两极板之间形成粒子链，流变机理如图 1-1所示。参考文献

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[16]王炅,黄文良.磁流变阻尼器动力学模型及其应用[J].弹道学报,2003,15(1):46-50.38

内容简介：: 湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表系机械工程专业机械设计制造及其自动化班级一班姓名唐利群学号2010500302指导教师朱石沙指导教师职称教授题目名称题目来源题目性质磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真科研企业其它课题名称汽车半主动悬架磁流变阻尼器设计及优化工程设计理论研究科学实验软件开发2、设计任务书4、外文翻译综合应用其它否1、选题是否有变化3、文献综述是否完成有否有资料情况完成未完成完成未完成经细心研究，收集与课题相关的资料；认真分析磁流变减震器的结构特点，确定了总体的设计方由学案，确定主要参数设计及优化方法，并翻译了相关英文资料。正在准备进行参数设计计算及优化；编写毕业设计论文。生填写工作进度预测（按照任务书中时间计划）提前完成按计划完成拖后完成无法完成不认真差由老师填写工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）：认真较认真一般中质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况）优良存在的问题与建议：指导教师（签名）：年月日建议检查结果：通过限期整改缓答辩系意见：签名：年月日注：1、该表由指导教师和学生填写。2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表系机械工程专业机械设计制造及其自动化班级一班姓名唐利群学号 2010500302 指导教师朱石沙指导教师职称教授题目名称磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真题目来源科研企业其它课题名称汽车半主动悬架磁流变阻尼器设计及优化题目性质工程设计理论研究科学实验软件开发综合应用其它资料情况 1、选题是否有变化有否 2、设计任务书有否 3、文献综述是否完成完成未完成 4、外文翻译完成未完成由学生填写经细心研究，收集与课题相关的资料；认真分析磁流变减震器的结构特点，确定了总体的设计方案，确定主要参数设计及优化方法，并翻译了相关英文资料。正在准备进行参数设计计算及优化；编写毕业设计论文。由老师填写工作进度预测（按照任务书中时间计划）提前完成按计划完成拖后完成无法完成工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）：认真较认真一般不认真质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况）优良中差存在的问题与建议：指导教师（签名）：年月日建议检查结果：通过限期整改缓答辩系意见：签名：年月日注：1、该表由指导教师和学生填写。 2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。湘潭大学毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真学号： 2010500302姓名：唐利群专业：机械设计制造及其自动化系主任：指导教师：朱石沙一、主要内容及基本要求查阅相关文献资料，基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控制对象，对磁流变液半主动悬架系统进行整体结构设计、并进行系统模型的仿真。要求：1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容；2、相关参数；减震器的理论阻尼力速度（m/s）0.050.1减震器的阻尼力212.4-455.6N349.2-764.6N515.4-1262.7N0.33、若干图纸；大于等于 2.0张 A0图纸（如 UG）4、撰写毕业设计说明书。5、外文文献翻译，字数 3000字以上。二、重点研究的问题磁流变液半主动悬架系统的结构设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容查阅资料、调研开题报告、制订设计方案方案（设计）完成时间第1-2周第3周第4-5周第6-7周第8-9周第10-11周第12-13周第14周12345678磁流变液半主动悬架系统的结构设计写出初稿，中期检查修改，写出第二稿写出正式稿答辩四、应收集的资料及主要参考文献1机械设计（第八版）/濮良贵，纪名纲；西北工业大学-北京：高等教育出版社，2006.52现代工程图学.周良德，朱泗方，杨世平.主编-长沙：湖南科学技术出版社，2008.83机械设计手册.邦椿主编:机械工业出版社,2010.14汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.35汽车减震器的设计与特性仿真/周长城著.-北京：机械工业出版社，2014.46廖昌荣.汽车悬架系统磁流变阻尼器研究D.重庆大学,20017张绍龙.汽车悬架系统特性建模方法研究D.吉林大学,2011.8余淼.汽车磁流变半主动悬架控制系统研究D.重庆大学,2003.湘湘潭潭大大学学毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真学号：2010500302姓名：唐利群专业：机械设计制造及其自动化指导教师：朱石沙系主任：一、主要内容及基本要求查阅相关文献资料，基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控制对象，对磁流变液半主动悬架系统进行整体结构设计、并进行系统模型的仿真。要求：1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容；2、相关参数；减震器的理论阻尼力速度（m/s）减震器的阻尼力0.05212.4-455.6N0.1349.2-764.6N0.3515.4-1262.7N3、若干图纸；大于等于 2.0 张 A0 图纸（如 UG）4、撰写毕业设计说明书。5、外文文献翻译，字数 3000 字以上。二、重点研究的问题磁流变液半主动悬架系统的结构设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研第 1-2 周2开题报告、制订设计方案第 3 周3方案（设计）第 4-5 周4磁流变液半主动悬架系统的结构设计第 6-7 周5写出初稿，中期检查第 8-9 周6修改，写出第二稿第 10-11 周7写出正式稿第 12-13 周8答辩第 14 周四、应收集的资料及主要参考文献1机械设计（第八版）/ 濮良贵，纪名纲；西北工业大学-北京：高等教育出版社，2006.52现代工程图学.周良德，朱泗方，杨世平.主编-长沙：湖南科学技术出版社，2008.83机械设计手册.邦椿主编:机械工业出版社,2010.14汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.35汽车减震器的设计与特性仿真/周长城著.-北京：机械工业出版社，2014.46廖昌荣. 汽车悬架系统磁流变阻尼器研究D.重庆大学,20017张绍龙. 汽车悬架系统特性建模方法研究D.吉林大学,2011.8 余淼. 汽车磁流变半主动悬架控制系统研究D.重庆大学,2003. 湘潭大学机械工程学院机械工程学院本科毕业设计（论文）开题报告题题目目磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真姓姓名名唐利群学号学号 2010500302 专专业业机械设计制造及其自动化班级班级一班指导教师指导教师朱石沙职称职称教授填写时间填写时间 2012 年 3 月 12 日 20122012 年年 3 3 月月 2 说说明明 1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。 2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字。 5开题报告检查原则上在第 24 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 6. 填写说明： (1) 课题性质：可填写 A工程设计；B论文；C. 工程技术研究；E.其它。 (2) 课题来源：可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校级基金课题；D自拟课题。 (3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。 (4) 参考文献不能少于 10 篇。 (5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。 3 本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)开题报告开题报告学生姓名学生姓名唐利群学学号号 2010500302 专专业业机械设计制造及其自动化指导教师指导教师朱石沙职职称称教授所在所在系系机电系课题来源课题来源科研课题课题性课题性质质工程设计课题名称课题名称磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况选题依据选题依据：汽车作为一种重要的交通、运输工具，已经随着社会的发展逐渐融入人们的生活中，同时，汽车的安全性、舒适性与稳定性等方面的性能也逐渐受到消费者的关注，使其成为人们用来衡量汽车性能的重要因素。为此 ,研究汽车行驶地舒适性和安全性是一项长期研究的课题。课题的意义课题的意义：16 世纪的四轮载人和载货马车为解决“路上感觉非常颠簸”的问题，将车厢用皮带吊在底盘的 4 跟柱子上。因为车厢是悬挂在底盘上的，所以人们渐渐将其称为“悬架” ，并沿用至今，以描述整个一类的解决方案。车厢吊起式的悬架还不是一个真正的弹簧系统，但它确实使车厢与车轮的运动分开来。半椭圆形的弹簧设计迅速取代了皮带式的悬架，并广泛用于两轮或四轮载人载货马车上。但它容易造成前后晃动且重心较高。当动力汽车面世时，人们陆续开发出其他更高效的弹簧系统，使乘客享有更平稳的行驶感觉。悬挂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，悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。悬架决定着车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。典型的汽车悬挂结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。绝大多数悬挂多具有螺旋弹簧和减振器结构，但不同类型的悬挂的导向机构差异却很大，这也是悬挂性能差异的核心构件。 4 弹性元件：弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。常见的弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减震器：减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动。减振器的类型有筒式减振器、阻力可调式减振器和充气式减振器。用于限制弹簧的自由振荡，提高乘坐舒适性。导向装置：导向装置用来使车轮按一定运动轨迹相对车身运动，同时起传递力作用。通常导向装置由控制摆臂式杆件组成，有单杆式和连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，它本身兼导向作用，可不另设导向装置。用于使上述部件定位，并控制车轮的横向和纵向运动。横向稳定器：横向稳定器也归属于导向装置。在有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设有横向稳定杆，目的是提高侧倾刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。用于防止汽车横向摆动。汽车的 4 个轮是在两个独立系统上协同工作的，其中两个车轮通过前轴连接，另外两个通过后轴连接，也就是说，汽车可以通常在前后轴上具有不同的悬架类型，即车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。因此，根据汽车导向机构不同，悬架系统可分为独立悬架系统和非独立悬架系统。根据阻尼和刚度是否随行驶条件的变化而变化，悬架系统又可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种。独立悬架系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点，同时因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间。 5 非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架系统悬架在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都相对较差，在现代轿车中只有成本控制比较严格的车型才会使用，更多的用于货车和大客车上。被动悬架：被动式悬架的定义是，汽车姿态(状态)只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。传统的被动悬架只能保证在一种特定道路和速度下达到性能最优状态，它的阻尼和刚度参数一般按经验设计或优化设计方法选择，一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。在某个特定工况下按目标优化出的被动悬架系统，一旦载荷、车速和路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优。主动悬架：可以根据路面和行驶工况自动调整悬架的刚度和阻尼，从而使车辆能主动地控制垂直振动及其车身或车架的姿态。该系统通常由传感器、控制阀、执行机构和悬架系统组成。半主动悬架：是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。 6 随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。因此对半主动悬架系统的研究显得尤为重要。半主动悬架系统：半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。有级可调减振器阻尼可在 2-3 档之间快速切换，切换时间通常为 10-20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。连续可调减振器连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：节流孔径调节：早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。减振液粘性调节：使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但电流变液体存在较多的问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降稳定性差，对杂质敏感等难以适应减震器长期稳定工作的需要。电流变减震器在国外已经有一些产品问世，如德国的商业电流变液与电流变减震器及美国的相关产品等。磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级调节。磁流变减振器具有电流变减振器相似的特点，磁流变液是一种由细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中形成的液体。其黏度随着外加磁场强度的增加而递增，直至半固态，而一旦外加磁场消失，它又自行恢复原状，整个过程可在毫秒级时间内完成。美国 Lord 公司、福特公司、德国 BASF 等纷纷投入巨资进行了研究，如 Lord 公司开发的磁流变液 MRX-126PD，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统。 7 流变液与磁流变液半主动悬架系统，它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。自上世纪四十年代磁流变液的出现至今，由于其具有的独特性能，一直是智能材料领域的研究热点，应用范围也随着相关理论的完善而逐渐扩大。悬架系统是汽车中连接车身和车轮的一个重要结构组成。目前基于磁流变减振器的半主动悬架被视为最具发展潜力的一种半主动悬架，已成为当今国内外学者的研究热点。而半主动控制策略是热点中的焦点，因此，研究设计性能稳定、易于实现的半主动控制策略具有重要的理论和现实意义。目前车辆振动控制方法中传统的被动控制虽然结构简单、易于实现,但由于其性能不可调,无法满足不同工况下的减振需求。主动控制直接以一个作动器取代被动悬架中的弹簧和阻尼元件,研究表明其具有很好的减振效果。但是由于主动控制系统的结构复杂、成本高、能耗大和失效安全性差等原因,迄今为止仍未得到广泛应用。半主动控制既具有结构简单、成本低、功耗低等类似于被动控制的优点,又能达到接近主动控制的控制效果,并且失效安全性高,是目前车辆振动控制领域中颇具应用前景智能控制方法。对于半主动悬架,作动器和控制理论是两个重要的核心。作动器是半主动悬架中最重要的执行器件,近年来,随着智能材料的飞速发展,各种新型半主动作动器相继问世,其中又以磁流变阻尼器最受瞩目,由于其具有响应迅速、性能连续可调并且对温度与杂质不敏感等诸多优点。与此同时,控制理论也从经典控制理论,发展到现代控制理论和智能控制理论阶段。磁流变阻尼器的问世和控制理论的发展共同推动了半主动悬架的前进。国内外基本研究情况国内外基本研究情况: : 半主动悬架的概念首先由 Crosby 和 Karnopp 于 1973 年提出，Karnopp 还提出天棚阻尼控制模型和实现方法。直到 20 世纪 80 年代初期才有试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多。随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂。 1975 年，Margolis 等人提出了“开关”控制的半主动悬架，1983 年日本丰田汽车公司开发了具有3 种减振工况的 “开关” 式半主动悬架，并应用于 ToyotaSoarer280GT型轿车上。 1986 年，KimBrough 在半主动悬架控制方法中引入了 Lyapunov 方法，改进了控制算法的稳定性。 1988 年日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用于 Maximas 轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有“柔和” 、 “适中”和“稳定”3 种选择状态。 20 世纪 90 年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的运用。 1994 年，Prinkos 等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。 2002 年，采用美国德尔福(Delphi)公司磁流变减振器的 MagneRide 半主动悬架系统应用在 Cadillac Seville STS 高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼。 8 2003 年，韩国学者 Jeong-Hoi Koo 设计并加工了磁流变减振器，对该磁流变减振器进行了四种控制策略的仿真试验和台架试验。 2006 年，Memet Unsal 等建立了六自由度汽车动力学模型，并进行磁流变减振的半主动控制研究。 2007 年，D.C.Batterbee 等基于 1/4 汽车动力学模型采用 Dspace 硬件在环仿真技术对磁流变减振器进行相关实验研究。 2007 年，马里兰大学为火炮反后座装置设计出了两褶环形间隙节流阀 MRF 减振器。美国 Lord 公司、德尔福公司和福特公司等也已经开发出商业产品。不仅如此，磁流变减振器系统已经投入到了实车，Delphi 公司开发的磁流变悬架控制系统 Magnetic Ride Control System 已应用在实车上，它的磁流变液体能在 lms 之内响应，因而比以前传统可调减振器系统快 5 倍以上。我国在磁流变减振器的研究上也做了大量的工作，取得了一定的成就。国家仪表功能材料研究中心研制的磁流变液体，其剪切屈服应力基本达到美国 hrd 公司的产品水平。许多学者进行了悬架磁流变减振器的设计与研究，但目前仅仅停留在了实验研究阶段，如上海交大的曹民、喻凡，西安交大的倪建华等分别设计了悬架用磁流变减振器，并进行了实验研究，得到了较为满意的效果。目前，我国磁流变半主动悬架的研究已经起步，并有越来越多多的研究单位和企业加入进来。其中香港中文大学、复旦大学、南京航空航天大学、西安交通大学和重庆大学等高校的工作比较有代表性。香港中文大学智能材料与结构实验室 C.Y.Lai 和 W.H.Laio 利用 Lord 公司开发的磁流变阻尼器研究了单自由度悬架系统的振动控制，重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础。 9 二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施要措施研究内容研究内容: : 基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控制对象，对磁流变减震器进行结构设计，并选择模糊控制方法，在 Simulink 中对半主动悬架进行模拟仿真。预期达到的目标预期达到的目标: : 半主动悬架的车身加速度在模糊控制方法下得到很好的控制，改善了平顺性；缩短了悬架行程，能有效预防悬架与限位块相撞造成操纵稳定性下降。对减震器进行结构设计。确定减震器各零件的材料以及尺寸，在初步确定了磁流变减震器的各个参数后，对其进行二维图与三维图的绘制。在 Simulink 中对半主动悬架进行模拟仿真。关键理论和技术关键理论和技术: : 针对车辆悬架系统的非线性,以车辆半主动悬架智能控制为研究对象,基于磁流变阻尼器模型和二自由度四分之一车辆悬架模型,建立磁流变半主动悬架模型。针对减振器的动态阻尼力呈现非线性关系,包括磁滞现象和饱和现象,建立磁流变阻尼器力学模型。技术指标技术指标: : (1)建立 1/2 轿车行驶系统的平顺性模型，推出响应量的频率响应函数及其均方根值。 (2)对直线行驶工况进行划分，并进行模拟仿真分析，据此确定可调减震器的软阻尼值。 (3)对减震器建立阻尼力学模型，对减震器的结构进行参数设计，并对其进行二维图与三维图的绘制。此外，在 Simulink 中对半主动悬架进行模拟仿真。技术参数技术参数：减震器的理论阻尼力速度（m/s）减震器的阻尼力 0.05 212.4-455.6N 0.1 349.2-764.6N 0.3 515.4-1262.7N 完成课题的方案和主要措施完成课题的方案和主要措施: : 1.主要工作分以下几方面进行：（1）搜集资料，了解国内外研究发展情况，分析我国现在面临的问题，找出解决问题的对策。（2）总体方案设计，包括方案的提出与确定，方案的实现，必要的设计计算以及必要的校核。（3）完成对半主动悬架的运动仿真及减震器的结构设计，画出减震器的二维三维视图，并完成设计说明书等。 2.总体方案及功能的实现：半主动悬架是汽车悬架的发展方向，它在改善汽车的乘坐舒适性和提高操纵稳定性方面有很好的效果。 10 因此，为了设计出更好的悬架系统。首先对悬架的分类进行分析比较，对面临的问题进行分析。进而选定磁流变半主动悬架系统作为需要设计的悬架类型，对悬架的组成结构进行分析。选定对磁流变半主动悬架中减震器的结构进行设计。通过对磁流变的原理分析，建立阻尼力学模型，查阅机械设计手册对磁流变减震器进行结构设计。对减震器的设计参数进行优化并在 Matlab/simulink 中进行模拟仿真。确定减震器各零件设计参数后，用 Pro/E 或者 solid edge 绘制出三维图，并导出二维图。 11 三、主要特色及工作进度三、主要特色及工作进度主要特主要特色：在基于磁流变半主动悬架系统中,对磁流变减震器进行结构设计优化。针对减震阻尼器的非线性特点,对其进行结构参数优化设计及运动仿真。工作进度：工作进度：收集查阅了有关磁流变减震器的设计背景资料，制定了设计提纲和计划，研究了设计方案并初步确定最终方案，对所要求软件进行了初步的学习，对 matlab 和 pro/e等软件有了进一步的理解。第一周到第二周，收集查阅了设计背景资料，查阅相关资料，制定了设计提纲和计划，研究了设计方案并初步确定最终方案，对所要求软件进行了初步的学习。第三周到第四周，进行磁流变液半主动悬架系统的方案设计第六周到第七周，进行磁流变液半主动悬架系统中磁流变阻尼器的结构设计；第八周到第九周，写出初稿，进行中期检查；第十周到十一周，修改，之后写出第二稿；第十二周到十三周，写出正式稿；第十四周，完成设计任务并进行答辩。机构运动简图机构运动简图图中 m1为簧上质量，m2为簧下质量， k2为悬架刚度，c2为悬架阻尼系数， k1为轮胎刚度，z0为路面不平度， z1为车轮位移，z2为车身位移。 12 四、主要参考文献四、主要参考文献 1 闻邦椿.机械设计手册:机械工业出版社,2010.1 2汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.3 3濮良贵，纪名纲.机械设计（第八版）. 北京：西北工业大学-高等教育出版社，2006.5 4周良德，朱泗方，杨世平.现代工程图学.长沙：湖南科学技术出版社，2008.8 5周长城.汽车减震器的设计与特性仿真.北京：机械工业出版社，2014.4 6廖昌荣. 汽车悬架系统磁流变阻尼器研究D.重庆大学,2001 7张绍龙. 汽车悬架系统特性建模方法研究D.吉林大学,2011. 8余淼. 汽车磁流变半主动悬架控制系统研究D.重庆大学,2003. 9潘明峰.磁流变液减振控制系统的设计与研究.北京理工大学硕士论文.2008 10欧进萍.结构振动控制:主动、半主动和智能控制M.北京:科学出版社，2003 11 彭来森. 基于磁流变阻尼器的车辆半主动悬架控制研究D. 广州: 华南理工大学, 2010 指导教指导教师师意意见见指导教师签名：指导教师签名：年年月月日日系意见系意见系主任签名：系主任签名：年年月月日日院意见院意见教学院长签名：教学院长签名：年年月月日日湘潭大学机械工程学院本科毕业设计（论文）开题报告题目姓名专业指导教师填写时间磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真学号一班班级职称教授2012年 3月 12日 2012年3月说明1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000字。5开题报告检查原则上在第 24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。6.填写说明：(1)课题性质：可填写 A工程设计；B论文；C.工程技术研究；E.其它。(2)课题来源：可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校级基金课题；D自拟课题。(3)除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。(4)参考文献不能少于 10篇。(5)填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。2本科毕业设计(论文)开题报告机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师学号职称科研课题2010500302专业所在系教授课题性质磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况选题依据：汽车作为一种重要的交通、运输工具，已经随着社会的发展逐渐融入人们的生活中，同时，汽车的安全性、舒适性与稳定性等方面的性能也逐渐受到消费者的关注，使其成为人们用来衡量汽车性能的重要因素。为此 ,研究汽车行驶地舒适性和安全性是一项长期研究的课题。课题的意义：16世纪的四轮载人和载货马车为解决“路上感觉非常颠簸”的问题，将车厢用皮带吊在底盘的 4跟柱子上。因为车厢是悬挂在底盘上的，所以人们渐渐将其称为“悬架”，并沿用至今，以描述整个一类的解决方案。车厢吊起式的悬架还不是一个真正的弹簧系统，但它确实使车厢与车轮的运动分开来。半椭圆形的弹簧设计迅速取代了皮带式的悬架，并广泛用于两轮或四轮载人载货马车上。但它容易造成前后晃动且重心较高。当动力汽车面世时，人们陆续开发出其他更高效的弹簧系统，使乘客享有更平稳的行驶感觉。悬挂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，悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。悬架决定着车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。典型的汽车悬挂结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。绝大多数悬挂多具有螺旋弹簧和减振器结构，但不同类型的悬挂的导向机构差异却很大，这也是悬挂性能差异的核心构件。3弹性元件：弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。常见的弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减震器：减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动。减振器的类型有筒式减振器、阻力可调式减振器和充气式减振器。用于限制弹簧的自由振荡，提高乘坐舒适性。导向装置：导向装置用来使车轮按一定运动轨迹相对车身运动，同时起传递力作用。通常导向装置由控制摆臂式杆件组成，有单杆式和连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，它本身兼导向作用，可不另设导向装置。用于使上述部件定位，并控制车轮的横向和纵向运动。横向稳定器：横向稳定器也归属于导向装置。在有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设有横向稳定杆，目的是提高侧倾刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。用于防止汽车横向摆动。汽车的 4个轮是在两个独立系统上协同工作的，其中两个车轮通过前轴连接，另外两个通过后轴连接，也就是说，汽车可以通常在前后轴上具有不同的悬架类型，即车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。因此，根据汽车导向机构不同，悬架系统可分为独立悬架系统和非独立悬架系统。根据阻尼和刚度是否随行驶条件的变化而变化，悬架系统又可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种。独立悬架系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点，同时因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间。4非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架系统悬架在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都相对较差，在现代轿车中只有成本控制比较严格的车型才会使用，更多的用于货车和大客车上。被动悬架：被动式悬架的定义是，汽车姿态 (状态)只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。传统的被动悬架只能保证在一种特定道路和速度下达到性能最优状态，它的阻尼和刚度参数一般按经验设计或优化设计方法选择，一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。在某个特定工况下按目标优化出的被动悬架系统，一旦载荷、车速和路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优。主动悬架：可以根据路面和行驶工况自动调整悬架的刚度和阻尼，从而使车辆能主动地控制垂直振动及其车身或车架的姿态。该系统通常由传感器、控制阀、执行机构和悬架系统组成。半主动悬架：是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。5随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。因此对半主动悬架系统的研究显得尤为重要。半主动悬架系统：半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。有级可调减振器阻尼可在 2-3档之间快速切换，切换时间通常为 10-20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。连续可调减振器连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：节流孔径调节：早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。减振液粘性调节：使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但电流变液体存在较多的问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降稳定性差，对杂质敏感等难以适应减震器长期稳定工作的需要。电流变减震器在国外已经有一些产品问世，如德国的商业电流变液与电流变减震器及美国的相关产品等。磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级调节。磁流变减振器具有电流变减振器相似的特点，磁流变液是一种由细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中形成的液体。其黏度随着外加磁场强度的增加而递增，直至半固态，而一旦外加磁场消失，它又自行恢复原状，整个过程可在毫秒级时间内完成。美国 Lord公司、福特公司、德国 BASF等纷纷投入巨资进行了研究，如 Lord公司开发的磁流变液 MRX-126PD，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统。6流变液与磁流变液半主动悬架系统，它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。自上世纪四十年代磁流变液的出现至今，由于其具有的独特性能，一直是智能材料领域的研究热点，应用范围也随着相关理论的完善而逐渐扩大。悬架系统是汽车中连接车身和车轮的一个重要结构组成。目前基于磁流变减振器的半主动悬架被视为最具发展潜力的一种半主动悬架，已成为当今国内外学者的研究热点。而半主动控制策略是热点中的焦点，因此，研究设计性能稳定、易于实现的半主动控制策略具有重要的理论和现实意义。目前车辆振动控制方法中传统的被动控制虽然结构简单、易于实现,但由于其性能不可调,无法满足不同工况下的减振需求。主动控制直接以一个作动器取代被动悬架中的弹簧和阻尼元件,研究表明其具有很好的减振效果。但是由于主动控制系统的结构复杂、成本高、能耗大和失效安全性差等原因,迄今为止仍未得到广泛应用。半主动控制既具有结构简单、成本低、功耗低等类似于被动控制的优点,又能达到接近主动控制的控制效果,并且失效安全性高,是目前车辆振动控制领域中颇具应用前景智能控制方法。对于半主动悬架,作动器和控制理论是两个重要的核心。作动器是半主动悬架中最重要的执行器件,近年来,随着智能材料的飞速发展,各种新型半主动作动器相继问世,其中又以磁流变阻尼器最受瞩目,由于其具有响应迅速、性能连续可调并且对温度与杂质不敏感等诸多优点。与此同时,控制理论也从经典控制理论,发展到现代控制理论和智能控制理论阶段。磁流变阻尼器的问世和控制理论的发展共同推动了半主动悬架的前进。国内外基本研究情况:半主动悬架的概念首先由 Crosby和 Karnopp于 1973年提出，Karnopp还提出天棚阻尼控制模型和实现方法。直到20世纪80年代初期才有试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多。随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂。1975年，Margolis等人提出了“开关”控制的半主动悬架，1983年日本丰田汽车公司开发了具有3种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于ToyotaSoarer280GT型轿车上。1986年，KimBrough在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法，改进了控制算法的稳定性。1988年日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用于Maximas轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态。20世纪90年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的运用。1994年，Prinkos等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。2002年，采用美国德尔福(Delphi)公司磁流变减振器的MagneRide半主动悬架系统应用在Cadillac Seville STS高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼。72003年，韩国学者 Jeong-Hoi Koo设计并加工了磁流变减振器，对该磁流变减振器进行了四种控制策略的仿真试验和台架试验。2006年，Memet Unsal等建立了六自由度汽车动力学模型，并进行磁流变减振的半主动控制研究。2007年，D.C.Batterbee等基于 1/4汽车动力学模型采用 Dspace硬件在环仿真技术对磁流变减振器进行相关实验研究。2007年，马里兰大学为火炮反后座装置设计出了两褶环形间隙节流阀 MRF减振器。美国Lord公司、德尔福公司和福特公司等也已经开发出商业产品。不仅如此，磁流变减振器系统已经投入到了实车，Delphi公司开发的磁流变悬架控制系统MagneticRideControlSystem已应用在实车上，它的磁流变液体能在lms之内响应，因而比以前传统可调减振器系统快 5倍以上。我国在磁流变减振器的研究上也做了大量的工作，取得了一定的成就。国家仪表功能材料研究中心研制的磁流变液体，其剪切屈服应力基本达到美国 hrd公司的产品水平。许多学者进行了悬架磁流变减振器的设计与研究，但目前仅仅停留在了实验研究阶段，如上海交大的曹民、喻凡，西安交大的倪建华等分别设计了悬架用磁流变减振器，并进行了实验研究，得到了较为满意的效果。目前，我国磁流变半主动悬架的研究已经起步，并有越来越多多的研究单位和企业加入进来。其中香港中文大学、复旦大学、南京航空航天大学、西安交通大学和重庆大学等高校的工作比较有代表性。香港中文大学智能材料与结构实验室C.Y.Lai和W.H.Laio利用 Lord公司开发的磁流变阻尼器研究了单自由度悬架系统的振动控制，重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础。8二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施研究内容:基本掌握磁流变液半主动悬挂

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