某车型油气弹簧设计【含cad图纸+文档全套资料】
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开题报告题目油气弹簧的特性建模与仿真开题申请：一、选题意义与目的本课题主要研究油气弹簧的特性建模与仿真。油气弹簧采用金属容器作为气室，以惰性的氮气作为弹性元件，并在活塞和气体之间有油液作为中间介质，同时具备弹性元件和阻尼元件的功能，是弹性悬架的核心元件。通过尤其弹簧的设计可以满足汽车所需的非线性弹性特性、减震性能，提高乘员乘坐的舒适性，因此目前已经在大客车、载重货车、工程机械以及装甲车辆上普遍采用。由于油气弹簧拥有车辆所需要的理想性能和比较完善的调节功能，国内外市场对油气弹簧的需求量很大，很多企业和科研所都对其产生了浓厚的兴趣，但是由于国外对核心技术凡人封锁，使得国内在自主研发方面的整体实力还比较薄弱。因此国内在油气悬挂技术研究方面起步较晚，直到上世纪80年代初期才真正有实际产品出现。而有些机构自主研发能力不强，导致目前没有正真意义上自主研发的、高质量的、成熟的产品。仿真分析是通过建立实际系统模型并且利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。汽车产品研发需要大量的数据分析和试验，仿真分析恰恰能缩短了研发周期，节约开发成本。二、文献综述油气悬架种类：如图2.1为单气室油气悬架结构原理图。在活塞杆的内部有一个空腔，该腔通过数个阻尼孔和单向阀将液压缸的大、小腔（A、B 腔）沟通，蓄能器通过管路与液压缸的大腔相通。当车辆受到不平路面激励时，活塞及活塞杆组件会相对于缸筒作往复运动，若活塞及活塞杆相对缸筒收缩，则 A 腔的油液受到压缩而向两个方向移动：一是进一步压缩蓄能器内部的气体而进入蓄能器；二是通过阻尼孔和单向阀而进入 B腔。若活塞及活塞杆相对缸筒伸张，则 B 腔的油液受到压缩，迫使 B 腔的油液通过阻尼孔向 A 腔流动（此时单向阀处于关闭状态），同时因 A 腔增大的体积大于 B 腔缩小的体积，结果会导致蓄能器的部分油液在气体压力作用下进入 A 腔。在前一种情形下，因单向阀开启，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较小，这相当于传统悬架中的弹簧作用；在后一种情形下，因单向阀关闭，活塞及活塞杆组件相对缸筒运动时受到的阻尼力较大，这相当于传统悬架中的减振器作用。图2.2所示的是带反压气室的双气室悬架液压缸结构。液压缸的内部有 A、B、C 三个油腔，C 腔一方面通过数个阻尼孔和单向阀与 B腔相通，另一方面还通过管路与左蓄能器（反压气室）相通，A 腔通过管路仅与右蓄能器（主气室）相通。当活塞及活塞杆相对缸筒收缩时，A 腔的油液会受到压缩而进入右蓄能器，使主气室内的气压增高弹簧的刚度增大，C腔的油液因 B 腔容积增大而受到左蓄能器气体压缩进而通过阻尼孔和单向阀进入 B 腔，而反压气室内的气压下降；相反地当活塞及活塞杆相对缸筒伸张时，主气室内的气压降低，B 腔的油液因受到压缩而通过阻尼孔进入左蓄能器，右蓄能器的油液因 A 腔容积增大而受到右蓄能器气体压缩进而进入 A 腔，使反压气室内的气压增高。由于反压气室的作用，使悬架在伸张行程时的刚度比单气室悬架的刚度要大得多。只要对两气室气压和容积参数选择适当，就可以使悬架刚度保持合适的变化规律，使悬架具有较理想的弹性特性。图2.3所示为两级压力式油气悬架的结构原理。它的特点是在工作活塞上部设有两个并列气室，但两个气室工作压力不同。其中之一称为主气室 A，充有气压与正常单气室油气悬架相近的氮气；另一气室称为补偿气室 B，其中充有比主气室气压高的氮气。两个气室都用橡胶隔膜将气体与油液隔开。两个气室的作用就像钢板弹簧中主簧与副簧的作用一样。由于悬架中的补偿气室气压高于主气室的气压，因此，当悬架上载荷增加时，先是主气室参加工作。当载荷增加到一定程度时，补偿气室才参加工作。把补偿气室开始工作时的悬架载荷称为临界载荷，当悬架上载荷超过临界载荷时，补偿气室和主气室一起工作。双级压力式油气悬架由于两个气室不是同时参加工作，而是根据汽车载荷的变化先后参加工作，因而使悬架刚度的变化更加符合悬架性能的要求，从而保证汽车空载与满载时悬架有大致相等的固有振动频率，从而提高了汽车行驶的平顺性。油气悬架特性：非线性刚度。传统车辆悬架一般是以钢板弹簧和阻尼元件为主的被动悬挂，其刚度特性是线性的或分段线性的，因此其刚度基本保持不变；而油气悬架的弹性介质是惰性气体，其刚度特性是非线性的、可以随外界的激励变化而调整的。车辆在良好的路面上行驶时动行程小，悬架刚度小，通过对弹簧性系数的调整，来改善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性，从而保证车辆良好的行驶平顺性；车辆在起伏路面上行驶时，悬架刚度大，能吸收较多的冲击能量，避免路面对车辆的刚性冲击，且能使车身获得很低的自由振动频率，实现频率衰减，从而使车辆具有良好的稳定性。这就满足了车辆行驶时的平顺性，同时能够吸收较多的冲击能量使车辆在劣质路面上也能保持一定的行驶速度。非线性阻尼。阻尼特性主要与车架相对于车桥的速度有关，调整减振器阻尼系数，可迅速地减小或抑制车架的振动，防止汽车急速起步或急加速时车尾下蹲；防止紧急制动时的车头下沉；防止汽车急转弯时车身横向摇动；防止汽车换挡时车身纵向摇动等，提高行驶平顺性和操纵稳定性，具有很好的减振性。车身高度自由调节。无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度一定，车身保持水平，从而使前大灯光束方向保持不变；当汽车在坏路面上行驶时，可以使车高升高，防止车桥与路面相碰；当汽车高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高操纵稳定性。这对改善车辆的行驶性能十分重要。悬架闭锁功能。由于油液压缩性较小，当将油气悬架的液压缸与蓄能器分置，并切断它们及其它液压元件的连接油路，即可实现油气悬架刚性闭锁状态。在这种条件下，可以减轻或消除车辆的振动，使车辆可承受较大载荷并能缓慢移动。这对实现起重机吊装物品移动就位、坦克发射炮弹这样的特殊工况是很有意义的。蓄能器储能大。油气弹簧的单位储能比为 3.3 105Nm/Kg(在 6MPa 氮气充气压力下)，而钢板弹簧的单位储能比为 76115 Nm/Kg，扭杆弹簧的单位储能比为 254380 Nm/Kg，橡胶弹簧的单位储能比为 5081016 Nm/Kg，圆柱螺旋弹簧的单位储能比为 178280 Nm/Kg，有利于减轻悬架重量和减小结构尺寸。同时油气悬架体积小、重量轻且减轻了非悬挂质量，用于重型车辆，比钢板悬架轻50以上，比扭杆弹簧轻 20左右；对于重型车辆来说，这一特点可以有效地减轻悬架重量和减小结构尺寸。结构紧凑、易于布置。油气悬架的悬架缸没有专用的减振器，而是把减振器功能融于悬架缸内。加装阻尼阀之后，通常用浮动活塞将油气分离，更适应重型越野车辆远距离行程的特点。同时，油气弹簧系统体积小，连接简单，便于拆装。通用性好。油气悬架只需少数几种不同直径的悬架缸，匹配不同的蓄能器初始充气压力和充油量就可在不同负载的车辆上应用，易于产品系列化。油气悬架也有不足之处：a.油气悬架布置在车外，防护性较差。b.成本一般较扭杆悬架要高，油气悬架除了需要设置弹簧缸和蓄能器外，还需要配置液压控制阀、阻尼孔、液压泵、油箱以及滤清器等辅件，因而成本较高。c.油气悬架压力较高，对油和气的密封装置要求较高，零部件加工精度要求较严，否则会因漏油、漏气而不能使用。d.油气悬架一般较难在-40 度的气温下正常工作，它对油液和橡胶的低温性能要求较高。三、研究现状 1、国外研究现状国外学者在对油气悬架系统进行开发的过程中，对其结构形式以及性能进行了大量的理论分析的试验研究，技术不断在提高，从研发到生产已经形成了基本方法。然而核心技术环节涉及到企业的机密，比如结构设计资料等，外部人员无法查看，所以，在国内无法查阅到关键的技术资料。国外的理论研究工作主要集中在建立新型合理的油气弹簧数学模型方面。目前建立数学模型的方式可以分为参数化和非参数化。由于参数化建模方法建立的模型能比较精确地描述其内部工作状态，每个参数都有明确的物理意义，适合油气弹簧自身特性的研究，故参数化的设计方式较非参数化设计具有一定的优势。针对单缸式油气弹簧，Worden指出建立参数化的数学模型应在内部工作状态进行准确地描述基础上，将自身结构参数与相关定律进行交叉渗透，并分析每个参数对系统特性的影响，它的缺点是较多的参数使得校准、计算消耗的时间较长；建立非参数化模型通常选择某一函数，利用拟合试验数据的方法，描述系统的外特性，虽然校核、计算的速度得到明显的提高，单试验研究消耗的人力、物力较大。为了避开两种方法各自的局限性，最大限度地发挥各自的优点，国外研究人员建议结合两种方法进行建模研究，例如：Lang为描述油气弹簧的阻尼阀节流情况，他对阀孔孔口压差及流量进行实际测量，并绘制压差-流量关系曲线。另外，研究工作还包括：针对主动和半主动类型的油气弹簧，研发出新型的结构形式以及主动、半主动控制策略。经过实践应用和科研人员的不断专研，油气弹簧技术得到长足的发展和提高，国外产品早已进入成熟和实用阶段。 2、国内研究现状国内研究人员从20世纪80年代开始对油气弹簧进行关注。20世纪90年代我国一些企业引进了具有油气弹簧的车辆，此后形成了油气弹簧技术研究的高潮，随后，国内一些高等院校也加入了科研队伍。目前，国内对油气弹簧技术研究主要集中在以下几个方面：基本的设计理论研究。基于车辆的类型、性能、参数以及油气弹簧内外部的工作环境等因素，研究人员完成油气弹簧最佳阻尼匹配特性、油液节流损失性能、阀片应力、应变特性及阻尼、刚度等特性的研究，得出油气弹簧的工作特性的变化规律，为我国自主研发提供重要的科研资料。油气弹簧阀系参数解析优化设计及CAD软件开发研究。油气弹簧的特性主要是由油气弹簧的截留阀系参数所决定的，即油气弹簧节流阀参数决定和影响油气弹簧的非线性阻尼特性，影响车辆的减震效果。目前山东大学研究人员根据相关参数之间的关系，建立油气弹簧节流阀参数设计数学模型和黄金分割优化设计方法，实现油气弹簧节流阀参数解析设计。在此基础上利用AutoCAD开发系统平台和VC+编程软件，开发油气弹簧节流阀参数CAD软件，实现了油气弹簧现代化CAD设计。油气弹簧特性仿真及相关软件开发的研究。国内研究人员在该方面进行了大量的研究工作，主要对油气弹簧的工作特性进行仿真模型建立以及定型分析，应用相关软件进行仿真，如：MATLAB中的Simulink模块、VC+编程软件，经过科研工作人员的不懈努力，在该方面取得了突破性成绩，并且在各大高校的相关科研工作也开展得如火如荼。目前，国内的油气弹簧技术在产品上的应用种类还比较少，主要集中在少数才、工程特种车辆上。产品性能，如：可靠性、可操作性、行驶平顺性等，与国外同类型产品相比，还存在较大的差距。而且采用主动、半主动控制的产品较少，目前只出现于重型越野车上。四、设计思路从油气悬架的发展现状可以看出，国外已经到达应用阶段，而国内还处于理论研究，试验修正阶段，差距很大，需要做如下几方面的努力。系统性、基础性研究。这需要增加研究、开发经费，引进和设计试验设备。高校可以借助企业试验平台，既进行了油气悬架理论研究、仿真分析，同时又研究了油气悬架具体结构设计，开发出独立自主的油气悬架产品。加强结构设计和优化设计。研究油气悬架的刚度特性、阻尼特性、频率特性，减振效果等，进行定性定量说明。油气悬架的优化设计，它不是单纯地油气悬架参数的优化，还包括不同的油气悬架结构性能差异的对比以及影响车辆各种性能的因素，并将优化结果纳入油气悬架的设计中，从而大幅度改善和提高车辆性能。规范研究设计规则。由于油气悬架系统性、基础性研究已经逐步加强，理论研究、实际设计相结合模式也在不断的深入，所以需要建立一套通用的油气悬架设计规则，使对油气悬架的研究设计更加规范化、系列化。研制、开发整车和多桥油气悬架系统虚拟样机，实现悬架系统的参数化、可视化设计，并针对油气悬架系统开发专门的计算机仿真软件。从被动悬架技术向半主动悬架、主动悬架技术发展，选择微处理器系统，采用电子自动化控制，最终实现油气悬架的主动化自适应智能控制系统。油气悬架系统是一种新型的底盘悬挂系统，是空气悬架的应用特例。随着技术的进步，关键参数的设定已被掌握，油气悬架系统以现代机械制造技术为依据，结构和性能在逐渐地改进和完善。油气悬架系统在国内车辆底盘技术上的需求也在不断地增大，应用前景非常广阔。五、 论文提纲1 绪论1.1 油气弹簧系统概述1.2 油气弹簧的工作原理1.3 国内外研究现状1.3.1国外研究现状1.3.2国内研究现状2 油气弹簧总体结构设计2.1 油气弹簧的总体设计2.2 油气弹簧主要基本尺寸的确定2.3油气弹簧阀系设计2.3.1 节流阀片厚度的设计2.3.2 油气弹簧节流缝隙的设计2.3.3 节流阀片限位装置的设计2.4 导向宽度的设计2.5 密封件的选取2.6 连接体的设计3 单所室油气弹簧理论模型建立3.1 单气室油气弹簧受力分析3.2 油气弹簧弹性力数学模型3.2.1 气体状态的选取3.2.2弹性力数学模型3.3 油气弹簧阻尼力数学模型3.3.1 阻尼孔的类型3.3.2 阀片产生的阻尼力数模型3.4 油气弹簧总输出力数学模型4 油气弹簧的特性仿真分析4.1 MATLAB软件及仿真流程简介4.2 油气弹簧刚度特性仿真分析4.2.1 气室的负载特性与刚度特性4.2.3 初始气室高度对刚度特性的影响4.2.4 活塞杆内径对刚度特性的影响5 油气弹簧Pro/e建模与仿真5.1 Pro/e主要特性5.2 主要零部件Pro/e 建模5.3 油气弹簧运动仿真总 结致 谢参考文献六、进度安排序号任务名称开始时间结束时间备注1公布毕业题目，组织选题2015-11-12015-11-142学生做开题报告2015-11-152015-11-283在老师指导下撰写毕业论文2015-11-292016-3-124完成初稿，中期检查2016-3-132016-3-195继续撰写论文，完成2,3稿2016-3-132016-3-196在老师指导下完成毕业论文最终稿2016-4-102016-4-237审阅及评定成绩2016-4-242016-4-308组织答辩2016-5-12016-5-79归档2016-5-82016-5-1410总结2016-5-152016-5-21七、参考
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