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2897 基于solidworks的汽车悬架设计及有限元分析 基于 solidworks 汽车 悬架 设计 有限元分析

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现代设计与先进制造技术袁海涛尹志宏李锁斌汽车悬挂系统的减振仿真研究47汽车悬挂系统的减振仿真研究袁海涛, 尹志宏, 李锁斌( 昆明理工大学 机电学院, 云南 昆明650093)摘要: 对汽车的主动悬挂系统和被动悬挂系统的特点进行了分析对比, 并以主动悬挂系统为研究对象, 建立了基于 1/ 4 车辆动力学模型, 应用最优控制理论进行了二次型最优控制器设计, 并用MAT LAB/ SIMUL INK 软件进行 1/ 4 车辆悬挂系统仿真分析, 仿真结果表明, 采用最优控制方法的主动悬挂系统可以较好地改善车辆行驶的平顺性和乘坐舒适性。关键词: 主动悬挂; 线性最优控制理论; 仿真; MAT LAB/ SIMU LINK中图分类号: U463. 33文献标识码: A文章编号: 1672- 1616( 2010) 03- 0047- 03悬挂系统是指车身与车轴之间连接的所有组合体零件的总称, 悬挂系统直接影响着汽车的安全性、稳定性和舒适性, 是汽车的重要组成部分之一。汽车悬挂系统按有无外加能源供给, 可分为主动悬挂系统和被动悬挂系统 1。本文对主动悬挂系统和被动悬挂系统的特点进行了对比分析, 并进一步以主动悬挂系统为研究 对象, 结合 车辆动力学原理, 推导了一种基于最优控制理论的主动悬架控制方法。图 1 主、被动悬挂系统结构示意图个正比于绝对速 度负值的主动 力 2 , 就可以 无需对系统做较大的变化来实现一个优质的隔振系统。1主、被动悬挂系统减振特点分析图 1 中 k 2 为被动悬挂系统的悬挂刚度, c1 为2基于线性最优控制理论的汽车主动悬挂系统控制方法研究悬挂系统的阻尼系数, m 为车身质量。图 1( a) 所示的悬挂系统称为被动悬挂系统, 这种悬挂系统没有能源供给装置, 且该装置的弹性阻尼系数是不变的, 阻尼与质量 m 的速度有关, 因此在振动过程中由上文分析可知, 结构简单和工作可靠是无源被动减振的主要优点, 然而它的减振效果是很有限的 3 。鉴于此, 有 必要对主动悬 挂系统作进一 步的研究。阻尼会消耗振动系统的 能量, 从而 起到减振的作2. 1控制方法的选择用。被动悬挂系统有以下特点: 悬挂系统支撑车身质量并随路面运动, 为了支撑车身质量, 这时需要一个阻尼系数很大的 硬悬挂 ; 隔绝随机路面不平控制方法是主动悬挂系统的核心技术之一, 国内外学者提出了自适应控制、预见控制、滑模控制、自校正控制、最优控制理论、模糊控制和神经网络度对汽车的扰动, 显然, 这时为了隔绝因路面不平控制等方法 46。其中最优控制理论基础比较完而引起的颠簸, 悬挂支撑需要一个阻尼系数很小的软悬挂 , 但是当阻尼系数很小时, 车身很容易出现共振现象。由此可知, 被动悬挂系统在解决这两个矛盾时, 显得力不从心。图 1( b) 所示的悬挂称为主动悬挂系统, 它是由传感器、控制器和执行器组成的, 如果控制器能善, 其最大优点是不必根据要求的性能指标确定系统闭环极点的位置, 只需根据系统的响应曲线找出合适的状态变量和控制变量的加权矩阵, 使系统性能指标函数即目标函数 J 最小。主动悬挂系统的状态方程大多具有线性形式:x = Ax + Bv通过传感器的信号而发出指令, 使发生器能产生一式中: A 为 nn 系统矩阵; B 为 nr 控制矩阵; x收稿日期: 2009- 09- 28作者简介: 袁海涛( 1981- ) , 男, 河北邯郸人, 昆明理工大学硕士研究生, 主要研究方向为系统动力学。482010 年 2 月中国制造业信息化第 39 卷第 3 期为 n 维状态矢量; v 为 r 维控制矢量。加约束后性由此可得出系统的状态方程为能指标函数 J 为:x = Ax + Bu + Ew( 2)t2J =t 1式中: Q 为状态变量的加权矩阵; R 为控制变量的加权矩阵; N 为交叉项的权重。这里应注意: 要求系统为线性定常系统, 且要求系统完全能控; 优化式中:A =-00k 1m 10 10 00 0010,后的闭环系统是渐近稳定的。2. 2 主 动悬挂系统动力 学方程 的建立 及线性 二次型最优控制器的设计0000 00- 1由于目前的悬挂形式主要是独立悬挂, 而二自由度 1/ 4 车辆模型能较好地描述汽车独立悬挂系B=-1m 1, E=- 10, w = y 0,统的实际情况, 故取 1/ 4 车辆模型作为主动悬挂系统优化控制的研究对象, 模型如图 2 所示。1m 2E 为扰动输入矩阵。0在确定目标函数时, 应考虑到汽车的平顺性和操纵稳定性, 悬挂系统弹簧的动扰度 ( y 1 - y 2) 会影响到汽车的平顺性, 且车轮与路面间的动载荷会影响汽车操控稳定性; 从实现控制的角度看, 应使所需的控制能量较小, 综合以上几种因素, 目标函数可写为J =0 R u 2+ q 1( y 0- y 1) 2+ q 2( y 2- y 1) 2 d t图 2主动悬挂系统结构示意图( 3)图 2 中 m 2 为 1 / 4 车身质量; m 1 为车轮质量;或可写成u = - Kx 表示悬挂对车身或车轮的作用力; K 为n 维行向量; k1 为车轮弹性系数, 车轮的阻尼由于影响不大而忽略不计, y 2, y 1, y 0 分 别表示 1 / 4 车J= x T Qx + Ru 2 d t0经验证系统是能控的, 其中( 4)身质量、车轮质量的位移和路面的激励。q1000根据牛顿第二定律, 可写出图 2 所示系统的微分方程式:Q=00q200000m 1y 1 = k 1( y 0 - y 1) - um 2y 2 = u选取状态变量为( 1 )0 0 0 0根据二次型性能指标的线性系统最优控制理论, 其最优控制律为:x 1 = y 1 - y 0u = - Kx = - R- 1 B T P( 5)x 2 = y 2 - y 0x 3 = y 1式中: K 为最优反馈增益矩阵; P 为实对称常值矩阵, 满足黎卡提( Riccat i) 代数方程, 即x 4 = y 2- PA - AT P+ PBR - 1B T P- Q= 0( 6)由上式得:x 1 = x 3 - y 0x 2 = x 4 - y 0其中矩阵 Q 的大小与轮胎 位移加权系数 q1 和悬挂动扰度加权系数 q 2 有关, q 1 和 q 2 取不同的值就允许对不同的分量加不同的权系数, 当某个分量x 3 = -k 1m 1 1 m 1需要特别约束时, 可以增大该分量的加权系数, 悬挂系统的相关参数见表 1。x 4 =um 2力。由表 1 参数可得到最优反馈矩阵及最优反馈1 x T Qx + vT Rv + 2 x T Nv d t2x - u现代设计与先进制造技术袁海涛尹志宏李锁斌汽车悬挂系统的减振仿真研究49表 1某高档轿车悬挂参数u = 284 ( y 1 - y 0) - 447 ( y 2 - y 0 ) + 94y 1 -参数1/ 4 车身质量/ kg符号m 2数值260323 y 2( 7)车轮质量/ kg悬挂刚度/ ( N m - 1)m 1k 24017 0003模拟仿真分析轮胎刚度/ ( N m - 1)悬挂阻尼系数/ ( N s m - 1)k 1c 1160 000960在 MAT LAB 中的 SIMU LINK 环境下建立仿真模型, 并进行对比分析, 取 y 0 = 0 01sin10 t , 仿K = - 284447- 94 323图 3真结果如图 3 中的( a) ( c) 图所示。主、被动悬挂的仿 真结果对比图仿真, 得出以下结论:4结 论通过对二自由度 1/ 4 主动悬挂系统的分析与a. 主动悬挂系统很大程度上降低了车身的加速度, 提高了乘坐的舒适性。( 下转第 53 页)现代设计与先进制造技术秦宝荣范金桃王军锋盘类零件参数化 CAD/ CAM 系534结束语了基于参数化建模及模板代码的参数化 NC 代码本文通过对盘类零件参数化 CAD/ CAM 系统的研究, 对盘类零件进行形状特征划分, 定制基本形体特征库, 然后根据参数驱动模型和零件拼接程序对组成零件的基本形体特征进行组合和拼接, 可实现盘类零件的快速、准确的参数化设计; 同时, 在参数化建模过程中的盘类零件形体特征数据库中自动生成的方法, 为下一步系统的完整实现提供了理论依据及数据支持。最后, 在进一步实现系统的同时, 还将着重研究 CAPP 知识库, 为系统的完善奠定基础。参考文献:存储的几何信息, 通过程序传递及规定的左右刀架数据分配规则为后续自动生成 NC 代码提供必要的加工信息, 即 为 CAD/ CAM 系统 的集成提供数据支持, 从而按照标准 G 代码格式生成数控加工代码。另外, 针对双刀架数控车削及法兰盘加工的特点, 对调研数据进行分析并将主要加工对象按照其结构特点进行分类, 研究了针对法兰盘加工的双刀架数控加工自动编程的部分关键技术问题, 提出 1 2 3 4 5陈鼎宁, 孟 兵, 汪俊双. 刀架数控 车削程序校验 策略与实现技术 J . 农业机械学报, 2006, 37( 7) : 158- 162.宋爱平, 张 军. 面向 CAD/ CAPP 集成的零件信息描述方法的研究 J . 成组技术与生成现代化, 2004, 21( 3) : 48- 51, 59.罗小燕, 罗会铭. 回转类零件 CAD / I- CAPP 集成专家系统研究 J . 机械设计与制造, 2007( 10) : 67- 69.刘楠 , 张琳娜, 牛红宾, 等. 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T he application show s t he CAD/ CAMsyst em is effect ive.Key words: CAD/ CAM; Paramet ric; F eature M et hod; Aut omat ically P rogramming; T emplat e Code( 上接第 49 页)社, 2006.b. 由于主动控制力的存在, 悬挂系统的动行程变化平缓, 且比被动悬挂系统行程小, 许用的悬挂空间得到了充分利用。c. 主动悬挂系统的轮胎加速度变化情况与被动悬挂系统的相差不大。总体表明采用主动控制悬挂系统可以较好地改善车辆的操控性和乘坐舒适性。参考文献: 2 3 4 5 6王加春, 董 申, 李 旦. 超 紧密机 床的主 动隔振 系统 研究 J . 振动与冲击, 2000, 19( 3) : 54- 56.丁文镜. 减振理论 M . 北京: 清华大学出版社, 1988.Y OSHIM U RA T, WATAN ABE K . Act ive suspension of a full carmodel using fuzzy reasoning based on single input rule modules withdynamic absorbers J . Int J of V eh Des, 2003, 31( 1) : 22- 40.WU Long, CHEN Hui- li. Complex st ochastic w heelbase preview cont rol and simulat ion of a sem i- act ive mot orcycle suspension based on hierarch ical modeling met hod J . 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