汽车筒式液压减振器的建模与仿真.pdf
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重庆大学硕士学位论文汽车筒式液压减振器的建模与仿真姓名:
张玉峰申请学位级别:
硕士专业:
车辆工程指导教师:
徐中明20091128重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着汽车技术的发展,汽车的操纵稳定性、行驶平顺性成为了衡量汽车整体性能的重要指标,悬架系统的结构形式和性能参数的选择是影响这两个重要指标的关键因素。
汽车悬架系统通常由弹簧和阻尼这两个重要的元件组成,弹簧可以减轻道路对车身的冲击,阻尼可以馒弹簧的振动迅速衰减。
篱式液压减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低、结构紧凑、使用寿命长等优点,已在汽车悬架系统中得至l广泛应用。
开展筒式液压减振器的建模与仿真研究,对于减振器产品的设计开发以及对汽车系统动力学、振动系统的仿真分析都具有重要意义。
传统的减振器开发需经历反复的设计制造、试验分析过程,开发周期长、研制成本高,产品质量不可靠。
目前,利用计算机建模仿真技术对减振器进行性能分析和设计优化已成为提升汽车减振器开发水平的重要手段。
本文应用计算机仿真技术,以寻求一种高效可靠、简便快捷的减振器研究方法为医标,首先分析了减振器的基本结构和工作原理,介绍了减振器仿真建模中使用的各种方法。
然后,应耀物理参数模型对筒式液压减振器建模,根据流体力学缝隙节流、管嘴节流及并联管路流量计算理论,把旁通槽和活塞阀系简化成并联液压管路,分复原行程、压缩行程,开阀前、开阀后各种工况,分别用MATLAB编程计算,用AMESim与Simulink联合建模仿真,以不同方式建立了减振器的仿真模型,得到了减振器的示功图和速度特性。
最后,按照减振器台架试验标准QCT545对某型行程敏感液压减振器进行了台架试验,得到了试验数据,并将仿真结果和试验数据进行了对比分析。
仿真结果与试验数据的对比分析表明:
在行程敏感液压减振器的旁通槽行程内、行程外,在压缩、复原行程等各个阶段,减振器阻尼力、做功特性的仿真结果和试验数据都相符,证明应用流体连续方程建立的数学模型正确可靠。
利用AMESim与Simulink的接口技术对减振器进行仿真,可以发挥AMESim突出的流体机械仿真能力和MATLABSimulink强大的控制系统仿真能力,是一种高效可靠的研究方法。
仿真结果很好地符合了试验数据,证明本文所建立的仿真模型可用于减振器的阀系匹配和产品设计,可分析减振器结构参数及行程敏感性对车辆动力学性能的影瞧。
关键词:
减振器,外特性,行程敏感性,AMESim,MATLAB重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTAsautomobiletechnologydevelops,vehiclehandlingstability,ridingcomfortbecomeimportantindicatorsthatdemonstratevehicleperformanceStructureformsandperformanceparametersofthesuspensionsystemaffectthesetwoindicatorsTheautomobilesuspensionsystemgenerallyconsistsofthespringcomponentandthedampingcomponentTheformeronereducestheimpactofroadirregularityonthebody,andtheotheroneabsorbsthespringvibrationrapidlyWithitsadvantagesofstableperformance,lowfriction,compactstructureandlongdurability,simulationofdynamiccharacteristicofthecylinderhydraulicshockabsorberhasgreatsignificanceforthedesignanddevelopmentofthekindofshockabsorberInthispaper,strokesensitivehydraulicshockabsorberWasstudiedThisshockabsorberincludesaby-passgroove,andtheshockabsorberchangesitsdifferentvaluesofwidth,length,anddepth,SOthatdampingforcecharacteristicchangesastheworkingconditionvariesTheexistenceofthebypassgroovenotonlyimprovesthevehicleridingcomfort,butalsomeetstherequirementofthehandlingstabilityFirstly,thebasicstructureandworkingprincipleoftheshockabsorberwereanalyzedandsomesimulationmethodsofshockabsorberswereintroducedSecondly,thesimulationmodeloftheshockabsorberWasbuiltonthebasisofthehydromechanicstheoryFinally,inaccordance、,itlltheshockabsorberbenchteststandardcalledQCT545,themeasureddataofexternalcharacteristicWasobtainedThesimulationresultsandexperimentaldatawerecomparedandanalyzedSimulationresultscoincidewiththeexperimentaldata,whichprovestheseconclusionsbelow
(1)Thesimulationmodelestablishedinthispapercanbeusedfortheproductdesignrequirementoftheshockabsorbervalvessystem
(2)UsingAMESimandSimulinkCO-simulationtechnology,modelingandsimulationoftheshockabsorberisreliableandcorrectforitsresearch(3)ThesimulationmodelCanbeusedtointegratetheshockabsorbervalvessystemTheimpactthatstructureparametersandtheshockabsorberstrokesensitivityonthevehicledynamicperformanceCanbeanalyzedKeywords:
ShockAbsorber,ExternalCharacteristic,DisplacementSensitive,AMESim,MATLABII学位论文独创性声明本人声明所呈交瞧士学位论文趟篮匣立奁殛蓟茜雏鎏鱼蚴塞是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其能人己经发表或撰写过的研究成果。
与我一间工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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重庆大学硕士学位论文1绪论l绪论1885年德国工程师卡尔本茨研制了世界上第一辆汽车,自第一辆汽车诞生,汽车对促进入类社会进步,提高大众的物质生活水平,改变人们的精神生活都起了非常重要的作用。
但随着世界汽车工业的发展,汽车保有量的迅速增加,人们对汽车性锈的要求也不断提高,其中汽车的操纵稳定性和行驶平顺性邑成为衡量汽车整体性能的重要指标,悬架系统的结构形式和性能参数是影响这两个重要指标的关键因素1-31。
悬架系统应有的功能是支持车身,减小振动,决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性。
典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及阻尼元件等组成14】,个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。
弹性元件分金属弹簧(钢板弹簧、螺旋弹簧和扭杆弹簧)和气体弹簧(空气弹簧、油气弹簧),现代汽车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧,油气弹簧主要应用在军用车辆、矿用车辆和豪华轿车上【4】。
悬架系统中除了弹性元件以外,最重要的组成部件就是阻尼元件,墨前汽车悬架中广泛选用筒式液压减振器作为阻尼元件,研究筒式液压减振器的性能就成了研究汽车系统动力学、分析汽车振动特性的一项重要工作。
本文回顾了汽车减振器的发展历程,学习掌握了国内外汽车减振器的基本结构、工作原理,重点对一种具有行程敏感性的新型简式液压减振器进行了研究。
为了分析这种行程敏感减振器的外特性,本文深入分析了各种减振器数学模型的建立方法,吸收借鉴了前人的科研成果,针对这种新型减振器特点,应用流体力学、流固耦合动力学等理论,建立了一种实用可靠的仿真模型,并进行了试验验证。
11问题的提出及研究意义111问题的提出汽车行驶时,由路面激励引起汽车垂直、俯仰以及倾斜等运动都会影响汽车的行驶平顺性和操纵稳定性,悬架减振器的一个重要作用是衰减冲击引起的车身自良振动,并抑制在共振频率附近车身强迫振动的幅值,提高乘坐舒适性。
在保证汽车最佳乘坐舒适性为目标的条件下,减振器阻尼系数的选择在于如何有效降低乘员振动响应峰值。
悬架减振器的另一个重要作用就是保证汽车的行驶稳定性,随车速的升高,由路面激励引起的汽车位移速度和加速度功率谱密度增大,使得控制汽车的垂直、俯仰和侧倾等运动变得困难,此时需要增加减振器的阻尼比以提高汽车的行驶安全性。
对予轿车减振器,为了获得较好的行驶平顺性,阻尼魄应保持在O。
3左右、复原压缩行程阻尼力分配为8020。
为了获得较好的操纵稳定性,减振器阻尼比应在O。
8l左右、复原压缩行程阻尼力分配值为60,40【朝。
鸯重庆大学硕士学位论文1绪论此可以看出汽车行驶在不同工况时,不同的评价指标对减振器阻尼特性的要求是不一样的,只有掌握了减振器内部结构对各项性能指标的影响规律,才能正确地为悬架系统选取与之匹配的阻尼元件。
汽车减振器选取时,从性价比的角度考虑,应用最多的就是筒式液压减振器。
这种减振器阻尼特性不会随着汽车行驶工况的改变而改变,不能同时满足汽车对操纵稳定性和行驶平顺性的要求,筒式液压减振器阻尼力大小的选择是一种兼顾两者的折中方案。
汽车行驶平顺性和操纵稳定性对悬架减振器特性的要求因路面、载荷、车速和汽车运动状态等具体行驶工况不同而不同,理想的减振器特性应能够适应上述不同行驶工况【6】。
为了使汽车在行驶过程中既确保较好的操纵稳定性又能提高汽车行驶的平顺性,目前出现了一种具有行程敏感性的新型筒式液压减振器,这种减振器通过台架试验和装车试验都取得了较好的效果,为了深入研究这种减振器的动态特性,完善设计计算理论,本文开展了对筒式液压减振器的建模与仿真研究。
112研究的意义由于减振器安装使用条件的限制和工作环境的复杂性,决定了其结构必须小巧紧凑,质量必须稳定可靠,而且减振器涉及汽车动力学、流体力学、理论力学、材料力学等多个学科,存在许多不可预知的因素,试验测试时很多关键数据无法直接测量到,在生产制造时对精度的要求又比较高,这必然增加了减振器的设计制造的难度。
传统的减振器开发模式需要经历反复的设计制造、试验分析过程,开发周期长、研制成本高,产品质量不可靠,很难快速高效地开发出功能先进、性能可靠的新产品。
目前,利用计算机建模仿真技术对减振器进行性能分析和设计优化已成为提升减振器开发水平的重要手段,本课题将计算机仿真技术应用于减振器的开发过程中,为产品前期设计时考虑更多复杂的因素,提前预知新产品的性能,在较短的开发周期内,正确合理地选择结构参数提供了有力的技术支持。
先进工业国家的减振器设计、生产工艺都是建立在广泛的标准化和系列化基础上的。
在CAD技术十分发达的国家,大都有减振器CAD的技术基础r”。
而我国在减振器的理论研究和生产制造方面和国外都有一定的差距,汽车减振器的研制质量和效率不能满足我国汽车产业的快速发展,为了克服这一矛盾,必须将计算机模拟仿真技术用于减振器的开发、生产过程之中,把反求工程为基础的悬架减振器仿制推向以主动设计为基础的改进或适应性设计,并在这个基础上实现我国悬架减振器的标准化和系列化。
计算机仿真技术以其突出的技术优势已广泛应用于各个领域,并取得了较好的技术、经济效益,利用计算机仿真技术对汽车减振器进行建模仿真也将是一个必然趋势。
通过计算机仿真技术模拟减振器的实际运动过程,得到减振器的示功2重庆大学硕士学位论文1绪论特性曲线(阻尼力位移曲线)和速度特性曲线(阻尼力一速度曲线),利用这些曲线可以预测减振器的大概性能,设计者根据需要调整各零件的几何尺寸,并通过模拟出的示功图和速度特性曲线图来达到改进减振器性能的目的,这便于设计人员对原有产品进行优化和改良。
本文选用了联合仿真技术,对减振器机械液压部分使用液压仿真软件AEMSim建模,对减振器涉及控制、数值计算的部分使用控制仿真软件MATLABSimulink计算,充分发挥了两个优秀仿真软件在不同领域的突出点,提升了减振器建模仿真的水平,缩短了减振器的开发周期,降低了减振器的开发成本,这对减振器的自主研制,主动开发具有十分重要的现实意义。
12国内外研究的现状121汽车减振器的发展历史汽车减振器,大体经历了干摩擦式减振器、鼓式减振器、臂式减振器、单筒预充气式减振器和双筒液压减振器的发展阶段,由于种种明显的缺陷,前几种减振器己经被淘汰。
双筒充气液力减振器具有工作性能稳定、干摩擦阻力小、噪声低、总长度短等优点,在乘用车上得到越来越多的应用【8】。
并且主要零件采用了冲压粉末冶金件及精密拉拔管等高效工艺,适宜于大批量生产。
20世纪60年代以前是定阻尼参数减振器阶段。
20世纪60年代以后,随着汽车技术的迅猛发展,人们对可调减振器性能认识的进一步深入,不断涌现出各种各样的减振器新技术,不过其主要焦点集中在控制节流孔流量的变化方面:
用各种各样的流量阀人工调节节流孔流量,以便驾驶员根据路况实现舒适工况、中等工况、运动工况三级调节,后来又发展到将阻尼分为更多级,这样可以扩大选择的范围,但这无疑给操纵安全性带来负面影响。
利用一些辅助零件调节节流孔的数量,如在空心活塞杆上做出一系列径向节流孔,然后在活塞杆外或内增加辅助套筒或转动套杆,以便在减振器行程中,使起节流阻尼作用的节流孔数目发生变化,从而自动调节阻尼力的大小。
20世纪80年代以来,计算机技术在汽车工程领域得到了广泛应用,特别是高级轿车的智能化发展,光电传感器及超声波传感器在汽车技术发展方面发挥了巨大作用。
1983年,丰田公司将减振器阻尼能进行两级切换的半主动悬架应用于TOYOTASoarer280GT型轿车上19】,随之三菱和日产公司也于80年代后期在某些轿车上使用了减振器阻尼2-一3级切换的半主动悬架【101。
1988年日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架,它利用声纳装置预测路况信息,悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态,此装置于当年应用于该公司生产的Maximas轿车上。
1994年,Sturk、Pinkos等人使用电流变体和磁流变体作为工作介质,研究了新型半主动悬架。
此外,我国的刘淑艳、黄安贻等人也对此进行了较深入的研究【6】o实重庆大学硕士学位论文1绪论现减振器特性智能化可调和实时可调,有力地解决了汽车行驶平顺性与操纵稳定性之间的矛盾。
到目前为止,可调阻尼减振器形式有很多种,如涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应式减振器、压电阻TEM式减振器、磁流变体可调阻尼减振器、电流变体可调阻尼减振器、节流口可调阻尼减振器等阳。
我国学者主要致力子屠三种阻尼可调减振器的研究,特别聚焦在减振液粘度的可调性方面。
电流变液体的粘度在几毫秒态即可随高磁场电压变化迅速改变或恢复,正是电流交流体这样一种在电解液(如硅酮)中高极化微质点的悬浮体,使得可调减振器阻尼特性随工况智能变化成为一种可能。
近年来我国学者曾利用磁流体作为减振液通过控制磁场强度也达到调整减振器特性的要求,研究表明,以磁流体为减振液的阻尼调节性能比电流变流体的调节性能更好一些。
但目前这两种方式都没能做出经济实用、性价比高、令人接受的产品,仍都处于研制阶段。
122国内外对减振器仿真技术的研究现状减振器是汽车悬架系统中的阻尼元件,广泛遗使用在各种运输工具上,是车辆悬架系统的重要组成元件,直接影响车辆乘坐舒适性和操纵稳定性,作为影响悬架系统的关键因素,随着汽车、摩托车工业的发展历经了将近100年的历史,现在已具有较高的设计制造水平。
随着CAD技术的广泛应用,减振器的模拟仿真技术克服传统设计方法的缺点,减少减振器样机试制及装车试验的费用,并缩短开发周期,提升了开发质量,计算机仿真技术在减振器技术的理论研究及实际应用领域也必将会得到快速发展。
目前在减振器仿真理论中,普遍认为流体阻尼的机理是耦合的机械结构和流体之间产生相对运动耗损能量【12】。
减振器内部阻尼产生的环境相当复杂,引起阻尼特性变化的来源有以下凡点:
活塞上、下两表面对流体的压力阻尼;活塞周边与油缸之间的薄膜阻尼;小孔节流引起的粘滞阻力与压力阻尼;油缸壁与流体的糙滞阻尼与压力阻尼;活塞杆壁与密封圈之间的密封阻尼;特殊工况下活塞杆的振动引起的振动阻尼;油液中的气泡与涡旋引起的功耗。
在国外,减振器建模和仿真分析领域,Lang于20世纪70年代后期建立的双篱液压悬架减振器的集总参数模型共包含83个参数,用于研究减振器高频特性畸变问题【131。
他采用简化的汽化和液化模型描述工作室内混入气体发生的物理变化,利用模拟电路实现减振器特性的仿真。
80年代末期,Karadayi和Masada认为Lang4重庆大学硕士学位论文1绪论的模型虽然能够较好地表达减振器的非线性特性,但过于复杂,不宜用于汽车系统动力学和振动仿真分析。
为了建立一种既能够表达减振器迟滞特性又较为简明的模型,他们采用了将减振器等效化为由弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合成的力学模型【141。
模型中不考虑减振器的实际结构和内部工作过程,元件的力学特性既可以是线性的也可以是非线性的,其组合系统能够表达出减振器的非线性动态特性。
Karadayi的建模方法为建立减振器的少参数非线性模型探索了一条有效的途径,但其模型仿真结果仅在减振器的低频运动
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- 汽车 液压 减振器 建模 仿真