畢業(yè)設(shè)計（論文）-汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計（全套圖紙） .doc

南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計目錄前言.1第一章緒論.21.1空氣懸架結(jié)構(gòu)與分類.21.2空氣彈簧懸架國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀.31.3本論文研究的目的、內(nèi)容和意義.4第二章汽車振動的簡化及分析.52.1振動的簡化.52.2車身與車輪雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動分析.6第三章空氣懸架系統(tǒng)元件概述.93.1空氣彈簧.93.1.1空氣彈簧特性.113.1.2空氣彈簧特性試驗(yàn).133.2減振器.143.3高度控制閥.16第四章控制方式.184.1最優(yōu)控制方法.184.2自適應(yīng)控制方法.194.3模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法.19第五章信號采集、控制元件的選擇.205.1試驗(yàn)臺信號采集、控制方案設(shè)計.205.2元件選擇.205.3信號采集裝置的布置及剛度、高度調(diào)節(jié).22第六章機(jī)械元件的設(shè)計、校核.236.1空氣彈簧設(shè)計計算.236.1.1空氣彈簧剛度計算.236.1.2附加空氣室設(shè)計.246.2減振器選擇與計算.256.3輪胎當(dāng)量螺旋彈簧的設(shè)計、校核.266.4減振器螺栓的校核.266.5立柱的設(shè)計.276.6簧上、簧下質(zhì)量的確定.276.6.1簧上質(zhì)量的確定.27南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計16.6.2簧下質(zhì)量的確定.28結(jié)論.29致謝.30參考文獻(xiàn).31附錄前言汽車空氣懸架近幾年開始發(fā)展迅猛，在空氣懸架中，空氣彈簧是主要的彈性元件，它代替了傳統(tǒng)懸架中的螺旋彈簧，是一種新型的彈性元件，它的剛度可根據(jù)具體情況靈活改變，使乘坐舒適性大大提高。不僅如此，配合其特有的高度控制閥，它還可以自動調(diào)整車輛高度，增加高速時的行車安全性。與傳統(tǒng)汽車懸架相比，空氣懸架有許多性能優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)懸架無法與之匹敵。本論文首先在熟悉空氣懸架各零部件的工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，主要根據(jù)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的一個四分之一模擬懸架機(jī)械裝置，針對空氣懸架試驗(yàn)臺系統(tǒng)的要求對上述四分之一模擬懸架機(jī)械裝置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，然后對空氣懸架總成中的重要零部件進(jìn)行型號選擇和論證，確定整個試驗(yàn)臺的功用和結(jié)構(gòu)布局，以方便后期試驗(yàn)臺的制造。本論文所涉及的是南京林業(yè)大學(xué)車輛半主動懸架智能控制器研究(校創(chuàng)新基金CX2004-05)項(xiàng)目中的一部分。黃義龍2007年5月南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計2第一章緒論1.1空氣懸架結(jié)構(gòu)與分類懸架是現(xiàn)代汽車的重要總成之一，它是車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接機(jī)構(gòu)的總稱。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，緩和路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，以保證汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。空氣懸架，顧名思義，就是以空氣彈簧為彈性元件，利用氣體的可壓縮性起彈性作用的。壓縮氣體的氣壓能夠隨載荷和道路條件變化而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，不論滿載還是空載，整車高度不會變化，可以大大提高乘坐的舒適性。其總成由兩部分組成：第一部分主要為結(jié)構(gòu)件，包括空氣彈簧、減振器、橫向穩(wěn)定桿及各種安裝支架等；第二部分為氣路和控制系統(tǒng)，包括空氣壓縮機(jī)、儲氣筒、空氣濾清器、干燥器、限壓閥、安全閥、高度控制閥組件、管路、密封件等。如圖1.1和1.2所示為某客車空氣懸架的前懸和后懸。圖1.1前懸圖1.2后懸空氣懸架按具體結(jié)構(gòu)可分為以下三種：全長鋼板彈簧并用式空氣懸架、鋼板彈簧后端式空氣懸架、平行桿式空氣懸架，分別如圖1.3，圖1.4、圖1.5所示。南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計3圖1.3全長鋼板彈簧并用式圖1.4鋼板彈簧后端式圖1.5平行桿式空氣懸架還可按進(jìn)氣的控制方式分為機(jī)械控制式和電子控制式兩種?？諝鈶壹芤?yàn)榭諝鈴椈删哂蟹蔷€性剛度特性，因此可以得到較低的固有振動頻率，保證了汽車良好的行駛平順性；而且空氣懸架質(zhì)量輕、彈簧剛度低，可以提高輪胎的附著能力，縮短制動距離，提高了整車的操縱穩(wěn)定性；相對板簧結(jié)構(gòu)而言，空氣懸架車體平穩(wěn)，從空載到滿載的整個范圍內(nèi)都能有效隔斷路面?zhèn)鬟f的振動，具有防震、防噪聲等功能；但空氣彈簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高；空氣彈簧尺寸大，布置困難；密封環(huán)節(jié)多，密封困難。1.2空氣彈簧懸架國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀空氣彈簧誕生于十九世紀(jì)中期，早期用于機(jī)械設(shè)備的隔振。1947年，美國首先在普爾曼車上使用空氣彈簧，到1964年，美國生產(chǎn)的25種公共汽車中，有23種使用了空氣彈簧懸架。美國的通用汽車公司在1958年就生產(chǎn)了裝有空氣彈簧懸架的牽引車。1961年，德國開始在大多數(shù)公共汽車上使用空氣彈簧，到1964年，德國生產(chǎn)的55種大中型客車中，有38種使用了空氣彈簧懸架。此后意大利、英國、法國及日本等國家相繼對空氣彈簧作了大量的研究工作。目前，空氣彈簧懸架在國外豪華汽車上已經(jīng)被廣泛采用，在高速客車和豪華城市客車上的使用率已達(dá)到100%，在中、重型貨車以及掛車上也超過80%，如美國的Ford，德國的Benz、Man、Neoplan，瑞典的Volvo，法國的雷諾，日本的尼桑、日野、五十鈴、三菱等。同時部分高級轎車上也有選裝空氣彈簧懸架的，如美國的林肯，德國的Benz300SE和Benz600等。我國早在二十世紀(jì)五十年代就對空氣彈簧進(jìn)行了研究，1957年初，長春汽車研究所與化工部橡膠工業(yè)研究所合作，進(jìn)行空氣彈簧橡膠氣囊的設(shè)計與研究，同年底制造出我國第一輛空氣懸架貨車。1958年，長春汽車研究所在北京、天津、上海等地設(shè)計和協(xié)助設(shè)計了公共汽車、無軌電車以及軌道車輛等多種車輛的空氣彈簧懸架。八十年代初長春汽車研究所再次進(jìn)行空氣彈簧懸架的研究，并為武漢客車制造廠、瓦房店客車廠、四平客車廠等幾家工廠設(shè)計了空氣彈簧懸架，當(dāng)時車身自振頻率可降低到1.11.2Hz，平均車速提高了17%。懸架質(zhì)量也比同車型的鋼板彈簧懸架減輕了5060公南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計4斤。這期間國產(chǎn)空氣懸架存在的主要問題是橡膠氣囊的壽命偏低和高度控制閥泄漏等沒有得到很好解決。上世紀(jì)九十年代，國內(nèi)客車廠紛紛從國外購置空氣彈簧懸架及空氣彈簧懸架客車底盤，對其產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以提高其產(chǎn)品的技術(shù)含量，搶占國內(nèi)高檔客車市場，如北方車輛制造廠、廈門金龍聯(lián)合汽車公司、亞星客車集團(tuán)公司等。同時國內(nèi)各大汽車廠、研究所、大專院校也對空氣懸架進(jìn)行開發(fā)設(shè)計和理論研究。如東風(fēng)汽車工程研究院，中國重型汽車集團(tuán)公司，上海匯眾汽車制造公司，淝河汽車制造廠，交通部重慶公路科學(xué)研究所，江蘇省交通科學(xué)研究院，湖北大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，北京理工大學(xué)等。在這段時期沈陽飛機(jī)制造公司和交通部重慶公路科學(xué)研究所起草了GB11612-89客車空氣懸架用高度控制閥和GB/T13061-1991汽車懸架用空氣彈簧橡膠彈簧國家標(biāo)準(zhǔn)，為高度控制閥和橡膠氣囊國產(chǎn)化提供了標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足空氣彈簧懸架維修配件的需要，近年來國內(nèi)一些企業(yè)正在生產(chǎn)空氣彈簧懸架零部件，如貴州前進(jìn)橡膠有限公司、山東萊州市橡膠廠、鐵道部四方車輛研究所等廠家，主要生產(chǎn)各種膜式和囊式空氣彈簧氣囊，應(yīng)用于汽車、鐵路車輛和一些機(jī)械設(shè)備上。也有些曾經(jīng)生產(chǎn)過或正在生產(chǎn)高度控制閥的廠家，如鐵道部科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，華中理工大學(xué)，中國電子工程設(shè)計院，交通部重慶公路科學(xué)研究所，浙江瑞安市東歐汽車零件廠等。1.3本論文研究的目的、內(nèi)容和意義隨著我國公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，人們對汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性提出更高的要求。在傳統(tǒng)的被動懸架中各參數(shù)一經(jīng)確定就無法改變，從而限制了汽車性能的進(jìn)一步提高。阻尼或剛度參數(shù)可調(diào)節(jié)的半主動懸架，可以根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)和道路激勵大小自動調(diào)節(jié)懸架參數(shù)，使其始終保持在最優(yōu)設(shè)定狀態(tài)，提高了汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，空氣彈簧懸架具有自振頻率低、彈簧剛度可調(diào)、振動及噪聲小、使用壽命長等特點(diǎn)，推廣使用空氣彈簧懸架可以有效地解決上述問題。目前，國內(nèi)外對半主動空氣彈簧懸架已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，尤其是在空氣彈簧懸架設(shè)計和空氣彈簧懸架控制及整車匹配技術(shù)方面做了大量開創(chuàng)性的工作。但是，對于空氣彈簧懸架的研究必須從實(shí)驗(yàn)室開始，實(shí)驗(yàn)室研究又必須以試驗(yàn)臺為基礎(chǔ)。至于試驗(yàn)臺的研究設(shè)計目前國內(nèi)也就只有幾所大專院校正在進(jìn)行，有些還僅限于仿真階段，或者進(jìn)行某個部件的試驗(yàn)研究，基本上沒有詳細(xì)、全面的科研成果。本試驗(yàn)臺系統(tǒng)方案的設(shè)計就是為了能夠更好的設(shè)計出符合研究和試驗(yàn)使用的試驗(yàn)臺而進(jìn)行的。通過對空氣懸架系統(tǒng)的各種元件進(jìn)行正確的選型和論證，構(gòu)造出符合研究和試南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計5驗(yàn)使用的試驗(yàn)臺就是本論文的目的和內(nèi)容。研究用試驗(yàn)臺一旦成功設(shè)計制造出來，它將最大可能的模擬車輛懸架系統(tǒng)的真實(shí)的工作情況，試驗(yàn)出來的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)將是實(shí)際車輛懸架系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和制造的直接參考依據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確與否將關(guān)系到實(shí)際車輛懸架系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和制造流程的周期與成本。因此，本論文所研究的關(guān)于汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計整個懸架系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和制造流程中最為關(guān)鍵，也最為重要的第一步。第二章汽車振動的簡化及分析2.1振動的簡化汽車是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)所分析的問題進(jìn)行簡化。圖2.1為一個把汽車車身質(zhì)量看作剛體的立體模型。汽車的懸掛質(zhì)量為2m，它是由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成。該質(zhì)量繞通過質(zhì)心的橫軸y的轉(zhuǎn)動慣量為yI，懸掛質(zhì)量通過減振器和懸架與車軸、車輪相連接。車輪、車軸構(gòu)成的非懸掛質(zhì)量為1m。車輪在經(jīng)過具有一定彈性和阻尼的輪胎支撐在不平的路面上。在討論平順性時，這一立體模型的車身質(zhì)量主要考慮垂直、俯仰、側(cè)傾3個自由度，4個車輪質(zhì)量有4個垂直自由度,共7個自由度。圖2.1四輪汽車的簡化的立體模型圖2.2雙軸汽車簡化的平面模型當(dāng)汽車對稱于其縱軸線且左右車轍的不平度函數(shù)x(I)=y(I)，此時車身只有垂直振動Z和俯仰振動，這兩個自由度的振動對平順性的影響很大。圖2.2為汽車簡化成4個自由度的平面模型。在這個模型中，又因輪胎阻尼較小而可以忽略不計，同時把質(zhì)量2m，轉(zhuǎn)動慣量yI的車身按動力學(xué)等效的條件分解為前軸上、后軸上及質(zhì)心C上的3個集中2fm、2rm、2cm。這3個質(zhì)量由無質(zhì)量的剛性桿連接，它們的大小由下述3個條件決定：1)總質(zhì)量保持不變2222mmmmcrf(1)南京林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計汽車空氣懸架試驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計62)質(zhì)心位置保持不變220frmamb(2)3)轉(zhuǎn)動慣量的值保持不變222222yyfrImmamb(3)式中y為繞橫軸y的回轉(zhuǎn)半徑；a、b為車身質(zhì)量部分的質(zhì)心至前、后軸的距離。由式(1)、(2)和(3)得出3個集中質(zhì)量分別為：2fm=2m2yaL2rm=2m2ybL2cm=2m2(1)yab式中的L為軸距。通常，令=2y/ab，并稱其為懸掛質(zhì)量分配系數(shù)。由上面3個式子可以看出當(dāng)=1時，聯(lián)系質(zhì)量2cm=0。根據(jù)統(tǒng)計，大部分汽車的=0.81.2，即接近于1。在=1的情況下，前后軸上方車身部分的集中質(zhì)量2fm、2rm的垂直方向運(yùn)動是相互獨(dú)立的。在此的情況下，當(dāng)前輪遇到路面不平度而引起振動時，質(zhì)量2fm運(yùn)動而質(zhì)量2rm不運(yùn)動；反之也是這樣；因此，在這種特殊情況下，可以分別討論圖2.2上2fm和前輪軸以及2rm和后輪軸所構(gòu)成的兩個雙質(zhì)量