開題報告.pdf

湘 潭 大 學(xué) 機械工程學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目 磁流變液半主動懸掛系統(tǒng)的設(shè)計及系統(tǒng)模型仿真 姓 名 唐利群 學(xué)號 2010500302 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班級 一 班 指導(dǎo)教師 朱石沙 職稱 教授 填寫時間 2012 年 3 月 12 日 2012 年 3 月 2 說 明 1根據(jù)湘潭大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )工作管理規(guī)定 ，學(xué)生必須撰寫 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 ，由指導(dǎo)教師簽署意見，系主任批準(zhǔn)后實施。 2 開題報告是畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學(xué)生應(yīng)當(dāng)在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。 3畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4本報告中，由學(xué)生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應(yīng)不少于 2000 字。 5開題報告檢查原則上在第 2 4 周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計開題檢查后，應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報告。 6. 填寫說明： (1) 課題性質(zhì)：可填寫 A工程設(shè)計； B 論文； C. 工程技術(shù)研究； (2) 課題來源：可填寫 A自然科學(xué)基金與部、省、市級以上科研課題；B企、事業(yè)單位委托課題； C 校 級基金課題； D自擬課題。 (3) 除自擬課題外，其它課題必須要填寫課題的名稱。 (4) 參考文獻不能少于 10 篇。 (5) 填寫內(nèi)容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。 3 本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )開題報告 學(xué)生姓名 唐利群 學(xué) 號 2010500302 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動 化 指導(dǎo)教師 朱石沙 職 稱 教授 所在 系 機電系 課題來源 科研課題 課題性 質(zhì) 工程設(shè)計 課題名稱 磁流變液半主動懸掛系統(tǒng)的設(shè)計及系統(tǒng)模型仿真 一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況 選題依據(jù) ： 汽車作為一種重要的交通、運輸工具，已經(jīng)隨著社會的發(fā)展逐漸融入人們的生活中，同時，汽車的安全性、舒適性與穩(wěn)定性等方面的性能也逐漸受到消費者的關(guān)注，使其成為人們用來衡量汽車性能的重要因素。為此 ,研究汽車行駛地舒適性和安全性是一項長期研究的課題 。 課題的意義 ： 16 世紀(jì)的四輪載人和載貨馬車為解決“路上感覺非常顛簸”的問題，將車廂用皮帶吊在底盤的 4 跟柱子上。因為車廂是懸掛在底盤上的，所以人們漸漸將其稱為“懸架”，并沿用至今，以描述整個一類的解決方案。車廂吊起式的懸架還不是一個真正的彈簧系統(tǒng)，但它確實使車廂與車輪的運動分開來。半橢圓形的彈簧設(shè)計迅速取代了皮帶式的懸架，并廣泛用于兩輪或四輪載人載貨馬車上。但它容易造成前后晃動且重心較高。當(dāng)動力汽車面世時，人們陸續(xù)開發(fā)出其他更高效的彈簧系統(tǒng)，使乘客享有更平穩(wěn)的行駛感覺。 懸掛是汽車的車架與車橋或車輪之間的一切傳力連接裝置的總稱，懸架的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動力和驅(qū) 動力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。懸架決定著車輛的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性和行駛安全性，是現(xiàn)代汽車十分重要的部件之一。 典型的汽車懸掛結(jié)構(gòu)由彈性元件、減震器以及導(dǎo)向機構(gòu)等組成，這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。絕大多數(shù)懸掛多具有螺旋彈簧和減振器結(jié)構(gòu)，但不同類型的懸掛的導(dǎo)向機構(gòu)差異卻很大，這也是懸掛性能差異的核心構(gòu)件。 4 彈性元件：彈性元件用來 承受并傳遞垂直載荷、緩和不平路面、緊急制動、加速和轉(zhuǎn)彎引起的沖擊或車身位置的變化。常見的彈性元件包括鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧、空氣彈簧和橡膠彈簧。 減震器：減振器用來衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動。減振器的類型有筒式減振器、阻力可調(diào)式減振器和充氣式減振器。用于限制彈簧的自由振蕩，提高乘坐舒適性。 導(dǎo)向裝置：導(dǎo)向裝置用來使車輪按一定運動軌跡相對車身運動，同時起傳遞力作用。通常導(dǎo)向裝置由控制擺臂式桿件組成，有單桿式和連桿式的。鋼板彈簧作為彈性元件時，它本身兼導(dǎo)向作用，可不另設(shè)導(dǎo)向裝置。用于使上述部件定 位，并控制車輪的橫向和縱向運動。 橫向穩(wěn)定器：橫向穩(wěn)定器也歸屬于導(dǎo)向裝置。在有些轎車和客車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架系統(tǒng)中加設(shè)有橫向穩(wěn)定桿，目的是提高側(cè)傾剛度，使汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。用于防止汽車橫向擺動。 汽車的 4 個輪是在兩個獨立系統(tǒng)上協(xié)同工作的，其中兩個車輪通過前軸連接，另外兩個通過后軸連接，也就是說，汽車可以通常在前后軸上具有不同的懸架類型， 即車輪可以通過剛性軸 連接在一起，也可以各自獨立運動。因此，根據(jù)汽車導(dǎo)向機構(gòu)不同，懸架系統(tǒng)可分為獨立懸架系統(tǒng)和非獨立懸架系統(tǒng)。根據(jù)阻尼和剛度是否隨行駛條件的變化而變化，懸架系統(tǒng)又可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架三種。 獨立 懸架 系統(tǒng)是每一側(cè)的車輪都是單獨地通過彈性 懸架 系統(tǒng) 懸架 在車架或車身下面的。其優(yōu)點是：質(zhì)量輕，減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力；可用剛度小的較軟 彈簧 ，改善汽車的舒適性；可以使 發(fā)動機 位置降低，汽車重心也得到降低，從而提高汽車的行駛穩(wěn)定性；左右車輪單獨跳動，互不相干，能減小車身的傾斜和震動。不過，獨立 懸架 系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維修不便的缺點，同時因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會侵占一些車內(nèi)乘坐空間。 5 非獨立 懸架 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)車輪由一根整體式車架相連，車輪連同車橋一起通過彈性 懸架 系統(tǒng) 懸架 在車架或車身的下面。非獨立 懸架 系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、強度高、保養(yǎng)容易、行車中前輪定位變化小的優(yōu)點，但由于其舒適性及操縱穩(wěn)定性都相對較差，在現(xiàn)代轎車 中只有成本控制比較嚴(yán)格的車型才會使用，更多的用于貨車和大客車上。 被動懸架：被動式懸架的定義是，汽車姿態(tài) (狀態(tài) )只能被動取決于路面、行駛狀況和汽車的彈性元件、導(dǎo)向裝置以及減振器這些機械零件。是傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機振動理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果。傳統(tǒng)的被動懸架只能保證在一種特定道路和速度下達(dá)到性能最優(yōu)狀態(tài)，它的阻尼和剛度參數(shù)一般按經(jīng)驗設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計方法選擇，一經(jīng)選定，在車輛行駛過程中就無法進行調(diào)節(jié)，因而不能適應(yīng)車輛參數(shù)、運行工況等的復(fù)雜多變。在某個特定工況下按目標(biāo)優(yōu)化出的被動懸 架系統(tǒng)，一旦載荷、車速和路況等發(fā)生變化，懸架在新的工況下便不再是最優(yōu)。 主動懸架：可以根據(jù)路面和行駛工況自動調(diào)整懸架的剛度和阻尼，從而使車輛能主動地控制垂直振動及其車身或車架的姿態(tài)。該系統(tǒng)通常由傳感器、控制閥、執(zhí)行機構(gòu)和懸架系統(tǒng)組成。 半主動懸架：是指懸架彈性元件剛度和減振器阻尼力之一或兩者均可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)的懸架。由于半主動懸架在控制品質(zhì)上接近于主動懸架，且結(jié)構(gòu)簡單，能量損耗小，成本低，因而具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?6 隨著生活水平的不斷提高，用 戶對汽車舒適性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)已不能滿足人們的要求。人們希望汽車車身的高度、懸架的剛度、減振器的阻尼大小能隨汽車行駛速度以及路面狀況等行駛條件的變化而自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)到乘坐舒適性的提高。因此對半主動懸架系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。 半主動懸架系統(tǒng)：半主動懸架分為剛度可調(diào)和阻尼可調(diào)兩大類。目前，在半主動懸架的控制研究中，以對阻尼控制的研究居多。阻尼可調(diào)半主動懸架又可分為有級可調(diào)半主動懸架和連續(xù)可調(diào)半主動懸架，有級可調(diào)半主動懸架的阻尼系數(shù)只能取幾個離散的阻尼值，而連續(xù)可調(diào)半主動懸架的阻尼系數(shù)在一 定的范圍內(nèi)可連續(xù)變化。 有級可調(diào)減振器阻尼可在 2之間快速切換，切換時間通常為 10級可調(diào)減振器實際上是在減振器結(jié)構(gòu)中采用較為簡單的控制閥，使通流面積在最大、中等或最小之間進行有級調(diào)節(jié)。通過減振器頂部的電機控制旋轉(zhuǎn)閥的旋轉(zhuǎn)位置，使減振器的阻尼在“軟、中、硬”三檔之間變化。有級可調(diào)減振器的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)相對簡單，但在適應(yīng)汽車行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性。 連續(xù)可調(diào)減振器 連續(xù)可調(diào)減振器的阻尼調(diào)節(jié)可采取以下兩種方式： 節(jié)流孔徑調(diào)節(jié)：早期的可調(diào)阻尼器主要是節(jié)流孔可實時調(diào)節(jié)的油液阻尼 器。通過步進電機驅(qū)動減振器的閥桿，連續(xù)調(diào)節(jié)減振器節(jié)流閥的通流面積來改變阻尼，節(jié)流閥可采用電磁閥或其它形式的驅(qū)動閥來實現(xiàn)。這類減振器的主要問題是節(jié)流閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。 減振液粘性調(diào)節(jié)：使用黏度連續(xù)可調(diào)的電流變或磁流變液體作為減振液，從而實現(xiàn)阻尼無級變化，是當(dāng)前的研究熱點。電流變液體在外加電場作用下，其流體材料性能，如剪切強度、粘度等會發(fā)生顯著的變化，將其作為減振液，只需通過改變電場強度，使電流變液體的粘度改變，就可改變減振器的阻尼力。 電流變減振器的阻尼可隨電場強度的改變而連續(xù)變化，無須高精度的節(jié)流閥， 結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，且無液壓閥的振動、沖擊與噪聲，不需要復(fù)雜的驅(qū)動機構(gòu)，作為半主動懸架的執(zhí)行器是一個非常好的選擇。 但電流變液體存在較多的問題，其電致屈服強度小，溫度工作范圍不寬，零電場粘度偏高，懸浮液中固體顆粒與基礎(chǔ)液體之間比重相差較大，易分離、沉降穩(wěn)定性差，對雜質(zhì)敏感等難以適應(yīng)減震器長期穩(wěn)定工作的需要。 電流變減震器在國外已經(jīng)有一些產(chǎn)品問世，如德國的商業(yè)電流變液與電流變減震器及美國的相關(guān)產(chǎn)品等。磁流變液體是指在外加磁場的作用下，流變材料性能發(fā)生急劇變化的流體。通過控制磁場強度，可實現(xiàn)磁流變減振器阻尼 的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)。 磁流變減振器具有電流變減振器相似的特點，磁流變液是一種由細(xì)小的磁性顆粒懸浮于絕緣介質(zhì)中形成的液體。其黏度隨著外加磁場強度的增加而遞增，直至半固態(tài)，而一旦外加磁場消失，它又自行恢復(fù)原狀，整個過程可在毫秒級時間內(nèi)完成。 美國 司、福特公司、德國 紛紛投入巨資進行了研究，如 司開發(fā)的磁流變液 用單出桿活塞缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的磁流變減振器已用于大型載貨汽車半主動懸架減振系統(tǒng)。 7 流變液與磁流變液半主動懸架系統(tǒng)，它們都能滿足汽車工作要求。但在屈服應(yīng)力、溫度范圍 、塑性粘度和穩(wěn)定性等性能方面，磁流變液體強于電流變液體。 自上世紀(jì)四十年代磁流變液的出現(xiàn)至今，由于其具有的獨特性能，一直是智能材料領(lǐng)域的研究熱點，應(yīng)用范圍也隨著相關(guān)理論的完善而逐漸擴大。 懸架系統(tǒng)是汽車中連接車身和車輪的一個重要結(jié)構(gòu)組成。目前基于磁流變減振器的半主動懸架被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N半主動懸架，已成為當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。而半主動控制策略是熱點中的焦點，因此，研究設(shè)計性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)的半主動控制策略具有重要的理論和現(xiàn)實意義。 目前車輛振動控制方法中傳統(tǒng)的被動控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn) ,但由于 其性能不可調(diào) ,無法滿足不同工況下的減振需求。主動控制直接以一個作動器取代被動懸架中的彈簧和阻尼元件 ,研究表明其具有很好的減振效果。但是由于主動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、能耗大和失效安全性差等原因 ,迄今為止仍未得到廣泛應(yīng)用。半主動控制既具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低等類似于被動控制的優(yōu)點 ,又能達(dá)到接近主動控制的控制效果 ,并且失效安全性高 ,是目前車輛振動控制領(lǐng)域中頗具應(yīng)用前景智能控制方法。 對于半主動懸架 ,作動器和控制理論是兩個重要的 核心。作動器是半主動懸架中最重要的執(zhí)行器件 ,近年來 ,隨著智能材料的飛速發(fā)展 ,各種新型半主動作動器相繼問世 ,其中又以磁流變阻尼器最受矚目 ,由于其具有響應(yīng)迅速、性能連續(xù)可調(diào)并且對溫度與雜質(zhì)不敏感等諸多優(yōu)點。與此同時 ,控制理論也從經(jīng)典控制理論 ,發(fā)展到現(xiàn)代控制理論和智能控制理論階段。磁流變阻尼器的問世和控制理論的發(fā)展共同推動了半主動懸架的前進。 國內(nèi)外基本研究情況 : 半主動懸架的概念首先由 1973 年提出， 提出天棚阻尼控制模型和實現(xiàn)方法。直到 20 世紀(jì) 80 年代初期才有試驗性 的產(chǎn)品問世，但它投入應(yīng)用的速度比主動懸架快得多。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，半主動懸架逐步從實驗室走向工廠。 1975 年， 人提出了“開關(guān)”控制的半主動懸架， 1983 年日本豐田汽車公司開發(fā)了具有 3種減振工況的“開關(guān)”式半主動懸架，并應(yīng)用于 1986 年， 半主動懸架控制方法中引入了 法，改進了控制算法的穩(wěn)定性。 1988 年日本日產(chǎn)公司首次將“聲納”式半主動懸架系統(tǒng)應(yīng)用于 車上，它可預(yù)測路面信息， 懸架減振器有“柔和”、“適中”和“穩(wěn)定” 3 種選擇狀態(tài)。 20 世紀(jì) 90 年代以后，研究的顯著特點是新型智能材料在半主動懸架上的運用。 1994 年， 人使用電流變和磁流變體作為工作介質(zhì)，研究了新型半主動懸架系統(tǒng)。 2002 年，采用美國德爾福 (司磁流變減振器的 主動懸架系統(tǒng)應(yīng)用在 檔車上，此懸架系統(tǒng)能根據(jù)行駛情況自動改變減振阻尼。 8 2003 年，韓國學(xué)者 計并加工了磁流變減振器，對該磁流變減振器 進行了四種控制策略的仿真試驗和臺架試驗。 2006 年， 建立了六自由度汽車動力學(xué)模型，并進行磁流變減振的半主動控制研究。 2007 年， 基于 1/4 汽車動力學(xué)模型采用 件在環(huán)仿真技術(shù)對磁流變減振器進行相關(guān)實驗研究。 2007 年，馬里蘭大學(xué)為火炮反后座裝置設(shè)計出了兩褶環(huán)形間隙節(jié)流閥 振器。美國 司、德爾福公司和福特公司等也已經(jīng)開發(fā)出商業(yè)產(chǎn)品。不僅如此，磁流變減振器系統(tǒng)已經(jīng)投入到了實車， 司開發(fā)的磁流變懸架控制系統(tǒng) 應(yīng)用在實車上，它的磁流變液體能在 內(nèi)響應(yīng)，因而比以前傳統(tǒng)可調(diào)減振器系統(tǒng)快 5 倍以上。 我國在磁流變減振器的研究上也做了大量的工作，取得了一定的成就。國家儀表功能材料研究中心研制的磁流變液體，其剪切屈服應(yīng)力基本達(dá)到美國 司的產(chǎn)品水平。許多學(xué)者進行了懸架磁流變減振器的設(shè)計與研究，但目前僅僅停留在了實驗研究階段，如上海交大的曹民、喻凡，西安交大的倪建華等分別設(shè)計了懸架用磁流變減振器，并進行了實驗研究，得到了較為滿意的效果。 目前，我國磁流 變半主動懸架的研究已經(jīng)起步，并有越來越多多的研究單位和企業(yè)加入進來。其中香港中文大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)和重慶大學(xué)等高校的工作比較有代表性。香港中文大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)實驗室 用 司開發(fā)的磁流變阻尼器研究了單自由度懸架系統(tǒng)的振動控制，重慶大學(xué)對磁流變阻尼器的流變理論和設(shè)計方法進行了深入的研究，解決了磁流變阻尼器磁路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)問題，研制出了微型汽車磁流變阻尼器，并在國家客車質(zhì)量監(jiān)測中心進行了測試，為汽車磁流變阻尼器的開發(fā)和應(yīng) 用奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 9 二、研究內(nèi)容、預(yù)計達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案和主要措施 研究內(nèi)容 : 基本掌握磁流變液半主動懸掛系統(tǒng)的原理，以微型轎車作為控制對象，對磁流變減震器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并選擇模糊控制方法，在 對半主動懸架進行模擬仿真。 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo) : 半主 動懸架的車身加速度在模糊控制方法下得到很好的控制，改善了平順性；縮短了懸架行程，能有效預(yù)防懸架與限位塊相撞造成操縱穩(wěn)定性下降。 對減震器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。確定減震器各零件的材料以及尺寸，在初步確定了磁流變減震器的各個參數(shù)后，對其進行二維圖與三維圖的繪制。 在 對半主動懸架進行模擬仿真。 關(guān)鍵理論和技術(shù) : 針對車輛懸架系統(tǒng)的非線性 ,以車輛半主動懸架智能控制為研究對象 ,基于磁流變阻尼器模型和二自由度四分之一車輛懸架模型 ,建立磁流變半主動懸架模型。針對減振器的動態(tài)阻尼力呈現(xiàn)非線性關(guān)系 ,包括磁滯現(xiàn) 象和飽和現(xiàn)象 ,建立磁流變阻尼器力學(xué)模型。 技術(shù)指標(biāo) : (1)建立 1/2 轎車行駛系統(tǒng)的平順性模型，推出響應(yīng)量的頻率響應(yīng)函數(shù)及其均方根值。 (2)對直線行駛工況進行劃分，并進行模擬仿真分析，據(jù)此確定可調(diào)減震器的軟阻尼值。 (3)對減震器建立阻尼力學(xué)模型，對減震器的結(jié)構(gòu)進行參數(shù)設(shè)計 ，并 對其進行二維圖與三維圖的繪制。 此外， 在 對半主動懸架進行模擬仿真。 技術(shù)參數(shù) ： 減震器的理論阻尼力 速度 （ m/s） 減震器的阻尼力 成課題的方案和主要措施 : （ 1）搜集資料，了解國內(nèi)外研究發(fā)展情況，分析我國現(xiàn)在面臨的問題，找出解決問題的對策。 （ 2）總體方案設(shè)計，包括方案的提出與確定，方案的實現(xiàn)，必要的設(shè)計計算以及必要的校核。 （ 3）完成對半主動懸架的運動仿真及減震器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，畫出減震器的二維三維視圖，并完成設(shè)計說明書等。 半主動懸架是汽車懸架的發(fā)展方向，它在改善汽車的乘坐舒適性和提高操縱穩(wěn)定性方面有很好的效果。 10 因此， 為了設(shè)計出更好的懸架 系統(tǒng)。 首先對 懸架的分類進行分析比較，對面臨的問題進行分析。進而 選定磁流變半主動懸架系統(tǒng)作為需要設(shè)計的懸架類型，對懸架的組成結(jié)構(gòu)進行分析。選定 對磁流變半主動懸架中減震器的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 通過 對磁流變的原理分析，建立阻尼力學(xué)模型，查閱機械設(shè)計手冊對磁流變減震器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 對減震器的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化并在 進行模擬仿真 。 確定減震器各零件設(shè)計參數(shù)后，用 或者 制出