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開題報告
題目
油氣彈簧的特性建模與仿真
開題申請：
一、選題意義與目的
本課題主要研究油氣彈簧的特性建模與仿真。油氣彈簧采用金屬容器作為氣室，以惰性的氮?dú)庾鳛閺椥栽?，并在活塞和氣體之間有油液作為中間介質(zhì)，同時具備彈性元件和阻尼元件的功能，是彈性懸架的核心元件。通過尤其彈簧的設(shè)計可以滿足汽車所需的非線性彈性特性、減震性能，提高乘員乘坐的舒適性，因此目前已經(jīng)在大客車、載重貨車、工程機(jī)械以及裝甲車輛上普遍采用。
由于油氣彈簧擁有車輛所需要的理想性能和比較完善的調(diào)節(jié)功能，國內(nèi)外市場對油氣彈簧的需求量很大，很多企業(yè)和科研所都對其產(chǎn)生了濃厚的興趣，但是由于國外對核心技術(shù)凡人封鎖，使得國內(nèi)在自主研發(fā)方面的整體實力還比較薄弱。因此國內(nèi)在油氣懸掛技術(shù)研究方面起步較晚，直到上世紀(jì)80年代初期才真正有實際產(chǎn)品出現(xiàn)。而有些機(jī)構(gòu)自主研發(fā)能力不強(qiáng)，導(dǎo)致目前沒有正真意義上自主研發(fā)的、高質(zhì)量的、成熟的產(chǎn)品。
仿真分析是通過建立實際系統(tǒng)模型并且利用所見模型對實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的過程?，F(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)，特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的分析、研究、設(shè)計、評價、決策和訓(xùn)練的重要手段。汽車產(chǎn)品研發(fā)需要大量的數(shù)據(jù)分析和試驗，仿真分析恰恰能縮短了研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。
二、文獻(xiàn)綜述
油氣懸架種類：
如圖2.1為單氣室油氣懸架結(jié)構(gòu)原理圖。在活塞桿的內(nèi)部有一個空腔，該腔通過數(shù)個阻尼孔和單向閥將液壓缸的大、小腔（A、B 腔）溝通，蓄能器通過管路與液壓缸的大腔相通。當(dāng)車輛受到不平路面激勵時，活塞及活塞桿組件會相對于缸筒作往復(fù)運(yùn)動，若活塞及活塞桿相對缸筒收縮，則 A 腔的油液受到壓縮而向兩個方向移動：一是進(jìn)一步壓縮蓄能器內(nèi)部的氣體而進(jìn)入蓄能器；二是通過阻尼孔和單向閥而進(jìn)入 B腔。若活塞及活塞桿相對缸筒伸張，則 B 腔的油液受到壓縮，迫使 B 腔的油液通過阻尼孔向 A 腔流動（此時單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)），同時因 A 腔增大的體積大于 B 腔縮小的體積，結(jié)果會導(dǎo)致蓄能器的部分油液在氣體壓力作用下進(jìn)入 A 腔。
在前一種情形下，因單向閥開啟，活塞及活塞桿組件相對缸筒運(yùn)動時受到的阻尼力較小，這相當(dāng)于傳統(tǒng)懸架中的彈簧作用；在后一種情形下，因單向閥關(guān)閉，活塞及活塞桿組件相對缸筒運(yùn)動時受到的阻尼力較大，這相當(dāng)于傳統(tǒng)懸架中的減振器作用。
圖2.2所示的是帶反壓氣室的雙氣室懸架液壓缸結(jié)構(gòu)。液壓缸的內(nèi)部有 A、B、C 三個油腔，C 腔一方面通過數(shù)個阻尼孔和單向閥與 B腔相通，另一方面還通過管路與左蓄能器（反壓氣室）相通，A 腔通過管路僅與右蓄能器（主氣室）相通。當(dāng)活塞及活塞桿相對缸筒收縮時，A 腔的油液會受到壓縮而進(jìn)入右蓄能器，使主氣室內(nèi)的氣壓增高彈簧的剛度增大，C腔的油液因 B 腔容積增大而受到左蓄能器氣體壓縮進(jìn)而通過阻尼孔和單向閥進(jìn)入 B 腔，而反壓氣室內(nèi)的氣壓下降；相反地當(dāng)活塞及活塞桿相對缸筒伸張時，主氣室內(nèi)的氣壓降低，B 腔的油液因受到壓縮而通過阻尼孔進(jìn)入左蓄能器，右蓄能器的油液因 A 腔容積增大而受到右蓄能器氣體壓縮進(jìn)而進(jìn)入 A 腔，使反壓氣室內(nèi)的氣壓增高。由于反壓氣室的作用，使懸架在伸張行程時的剛度比單氣室懸架的剛度要大得多。只要對兩氣室氣壓和容積參數(shù)選擇適當(dāng)，就可以使懸架剛度保持合適的變化規(guī)律，使懸架具有較理想的彈性特性。
圖2.3所示為兩級壓力式油氣懸架的結(jié)構(gòu)原理。它的特點(diǎn)是在工作活塞上部設(shè)有兩個并列氣室，但兩個氣室工作壓力不同。其中之一稱為主氣室 A，充有氣壓與正常單氣室油氣懸架相近的氮?dú)猓涣硪粴馐曳Q為補(bǔ)償氣室 B，其中充有比主氣室氣壓高的氮?dú)狻蓚€氣室都用橡膠隔膜將氣體與油液隔開。兩個氣室的作用就像鋼板彈簧中主簧與副簧的作用一樣。由于懸架中的補(bǔ)償氣室氣壓高于主氣室的氣壓，因此，當(dāng)懸架上載荷增加時，先是主氣室參加工作。當(dāng)載荷增加到一定程度時，補(bǔ)償氣室才參加工作。把補(bǔ)償氣室開始工作時的懸架載荷稱為臨界載荷，當(dāng)懸架上載荷超過臨界載荷時，補(bǔ)償氣室和主氣室一起工作。雙級壓力式油氣懸架由于兩個氣室不是同時參加工作，而是根據(jù)汽車載荷的變化先后參加工作，因而使懸架剛度的變化更加符合懸架性能的要求，從而保證汽車空載與滿載時懸架有大致相等的固有振動頻率，從而提高了汽車行駛的平順性。
油氣懸架特性：
非線性剛度。傳統(tǒng)車輛懸架一般是以鋼板彈簧和阻尼元件為主的被動懸掛，其剛度特性是線性的或分段線性的，因此其剛度基本保持不變；而油氣懸架的彈性介質(zhì)是惰性氣體，其剛度特性是非線性的、可以隨外界的激勵變化而調(diào)整的。車輛在良好的路面上行駛時動行程小，懸架剛度小，通過對彈簧性系數(shù)的調(diào)整，來改善汽車的乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性，從而保證車輛良好的行駛平順性；車輛在起伏路面上行駛時，懸架剛度大，能吸收較多的沖擊能量，避免路面對車輛的剛性沖擊，且能使車身獲得很低的自由振動頻率，實現(xiàn)頻率衰減，從而使車輛具有良好的穩(wěn)定性。這就滿足了車輛行駛時的平順性，同時能夠吸收較多的沖擊能量使車輛在劣質(zhì)路面上也能保持一定的行駛速度。
非線性阻尼。阻尼特性主要與車架相對于車橋的速度有關(guān)，調(diào)整減振器阻尼系數(shù)，可迅速地減小或抑制車架的振動，防止汽車急速起步或急加速時車尾下蹲；防止緊急制動時的車頭下沉；防止汽車急轉(zhuǎn)彎時車身橫向搖動；防止汽車換擋時車身縱向搖動等，提高行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，具有很好的減振性。
車身高度自由調(diào)節(jié)。無論車輛的負(fù)載多少，都可以保持汽車高度一定，車身保持水平，從而使前大燈光束方向保持不變；當(dāng)汽車在壞路面上行駛時，可以使車高升高，防止車橋與路面相碰；當(dāng)汽車高速行駛時，又可以使車高降低，以便減少空氣阻力，提高操縱穩(wěn)定性。這對改善車輛的行駛性能十分重要。
懸架閉鎖功能。由于油液壓縮性較小，當(dāng)將油氣懸架的液壓缸與蓄能器分置，并切斷它們及其它液壓元件的連接油路，即可實現(xiàn)油氣懸架剛性閉鎖狀態(tài)。在這種條件下，可以減輕或消除車輛的振動，使車輛可承受較大載荷并能緩慢移動。這對實現(xiàn)起重機(jī)吊裝物品移動就位、坦克發(fā)射炮彈這樣的特殊工況是很有意義的。
蓄能器儲能大。油氣彈簧的單位儲能比為 3.3 ×105Nm/Kg(在 6MPa 氮?dú)獬錃鈮毫ο?，而鋼板彈簧的單位儲能比為 76～115 Nm/Kg，扭桿彈簧的單位儲能比為 254～380 Nm/Kg，橡膠彈簧的單位儲能比為 508～1016 Nm/Kg，圓柱螺旋彈簧的單位儲能比為 178～280 Nm/Kg，有利于減輕懸架重量和減小結(jié)構(gòu)尺寸。同時油氣懸架體積小、重量輕且減輕了非懸掛質(zhì)量，用于重型車輛，比鋼板懸架輕50％以上，比扭桿彈簧輕 20％左右；對于重型車輛來說，這一特點(diǎn)可以有效地減輕懸架重量和減小結(jié)構(gòu)尺寸。
結(jié)構(gòu)緊湊、易于布置。油氣懸架的懸架缸沒有專用的減振器，而是把減振器功能融于懸架缸內(nèi)。加裝阻尼閥之后，通常用浮動活塞將油氣分離，更適應(yīng)重型越野車輛遠(yuǎn)距離行程的特點(diǎn)。同時，油氣彈簧系統(tǒng)體積小，連接簡單，便于拆裝。
通用性好。油氣懸架只需少數(shù)幾種不同直徑的懸架缸，匹配不同的蓄能器初始充氣壓力和充油量就可在不同負(fù)載的車輛上應(yīng)用，易于產(chǎn)品系列化。
油氣懸架也有不足之處：
a.油氣懸架布置在車外，防護(hù)性較差。
b.成本一般較扭桿懸架要高，油氣懸架除了需要設(shè)置彈簧缸和蓄能器外，還需要配置液壓控制閥、阻尼孔、液壓泵、油箱以及濾清器等輔件，因而成本較高。
c.油氣懸架壓力較高，對油和氣的密封裝置要求較高，零部件加工精度要求較嚴(yán)，否則會因漏油、漏氣而不能使用。
d.油氣懸架一般較難在-40 度的氣溫下正常工作，它對油液和橡膠的低溫性能要求較高。
三、研究現(xiàn)狀
1、國外研究現(xiàn)狀
國外學(xué)者在對油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的過程中，對其結(jié)構(gòu)形式以及性能進(jìn)行了大量的理論分析的試驗研究，技術(shù)不斷在提高，從研發(fā)到生產(chǎn)已經(jīng)形成了基本方法。然而核心技術(shù)環(huán)節(jié)涉及到企業(yè)的機(jī)密，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計資料等，外部人員無法查看，所以，在國內(nèi)無法查閱到關(guān)鍵的技術(shù)資料。
國外的理論研究工作主要集中在建立新型合理的油氣彈簧數(shù)學(xué)模型方面。目前建立數(shù)學(xué)模型的方式可以分為參數(shù)化和非參數(shù)化。由于參數(shù)化建模方法建立的模型能比較精確地描述其內(nèi)部工作狀態(tài)，每個參數(shù)都有明確的物理意義，適合油氣彈簧自身特性的研究，故參數(shù)化的設(shè)計方式較非參數(shù)化設(shè)計具有一定的優(yōu)勢。針對單缸式油氣彈簧，Worden指出建立參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型應(yīng)在內(nèi)部工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確地描述基礎(chǔ)上，將自身結(jié)構(gòu)參數(shù)與相關(guān)定律進(jìn)行交叉滲透，并分析每個參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響，它的缺點(diǎn)是較多的參數(shù)使得校準(zhǔn)、計算消耗的時間較長；建立非參數(shù)化模型通常選擇某一函數(shù)，利用擬合試驗數(shù)據(jù)的方法，描述系統(tǒng)的外特性，雖然校核、計算的速度得到明顯的提高，單試驗研究消耗的人力、物力較大。
為了避開兩種方法各自的局限性，最大限度地發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，國外研究人員建議結(jié)合兩種方法進(jìn)行建模研究，例如：Lang為描述油氣彈簧的阻尼閥節(jié)流情況，他對閥孔孔口壓差及流量進(jìn)行實際測量，并繪制壓差-流量關(guān)系曲線。
另外，研究工作還包括：針對主動和半主動類型的油氣彈簧，研發(fā)出新型的結(jié)構(gòu)形式以及主動、半主動控制策略。經(jīng)過實踐應(yīng)用和科研人員的不斷專研，油氣彈簧技術(shù)得到長足的發(fā)展和提高，國外產(chǎn)品早已進(jìn)入成熟和實用階段。
2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)研究人員從20世紀(jì)80年代開始對油氣彈簧進(jìn)行關(guān)注。20世紀(jì)90年代我國一些企業(yè)引進(jìn)了具有油氣彈簧的車輛，此后形成了油氣彈簧技術(shù)研究的高潮，隨后，國內(nèi)一些高等院校也加入了科研隊伍。目前，國內(nèi)對油氣彈簧技術(shù)研究主要集中在以下幾個方面：
基本的設(shè)計理論研究?；谲囕v的類型、性能、參數(shù)以及油氣彈簧內(nèi)外部的工作環(huán)境等因素，研究人員完成油氣彈簧最佳阻尼匹配特性、油液節(jié)流損失性能、閥片應(yīng)力、應(yīng)變特性及阻尼、剛度等特性的研究，得出油氣彈簧的工作特性的變化規(guī)律，為我國自主研發(fā)提供重要的科研資料。
油氣彈簧閥系參數(shù)解析優(yōu)化設(shè)計及CAD軟件開發(fā)研究。油氣彈簧的特性主要是由油氣彈簧的截留閥系參數(shù)所決定的，即油氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)決定和影響油氣彈簧的非線性阻尼特性，影響車輛的減震效果。目前山東大學(xué)研究人員根據(jù)相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，建立油氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)設(shè)計數(shù)學(xué)模型和黃金分割優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)油氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)解析設(shè)計。在此基礎(chǔ)上利用AutoCAD開發(fā)系統(tǒng)平臺和VC++編程軟件，開發(fā)油氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)CAD軟件，實現(xiàn)了油氣彈簧現(xiàn)代化CAD設(shè)計。
油氣彈簧特性仿真及相關(guān)軟件開發(fā)的研究。國內(nèi)研究人員在該方面進(jìn)行了大量的研究工作，主要對油氣彈簧的工作特性進(jìn)行仿真模型建立以及定型分析，應(yīng)用相關(guān)軟件進(jìn)行仿真，如：MATLAB中的Simulink模塊、VC++編程軟件，經(jīng)過科研工作人員的不懈努力，在該方面取得了突破性成績，并且在各大高校的相關(guān)科研工作也開展得如火如荼。
目前，國內(nèi)的油氣彈簧技術(shù)在產(chǎn)品上的應(yīng)用種類還比較少，主要集中在少數(shù)才、工程特種車輛上。產(chǎn)品性能，如：可靠性、可操作性、行駛平順性等，與國外同類型產(chǎn)品相比，還存在較大的差距。而且采用主動、半主動控制的產(chǎn)品較少，目前只出現(xiàn)于重型越野車上。
四、設(shè)計思路
從油氣懸架的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，國外已經(jīng)到達(dá)應(yīng)用階段，而國內(nèi)還處于理論研究，試驗修正階段，差距很大，需要做如下幾方面的努力。
系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性研究。這需要增加研究、開發(fā)經(jīng)費(fèi)，引進(jìn)和設(shè)計試驗設(shè)備。高?？梢越柚髽I(yè)試驗平臺，既進(jìn)行了油氣懸架理論研究、仿真分析，同時又研究了油氣懸架具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)出獨(dú)立自主的油氣懸架產(chǎn)品。
加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。研究油氣懸架的剛度特性、阻尼特性、頻率特性，減振效果等，進(jìn)行定性定量說明。油氣懸架的優(yōu)化設(shè)計，它不是單純地油氣懸架參數(shù)的優(yōu)化，還包括不同的油氣懸架結(jié)構(gòu)性能差異的對比以及影響車輛各種性能的因素，并將優(yōu)化結(jié)果納入油氣懸架的設(shè)計中，從而大幅度改善和提高車輛性能。
規(guī)范研究設(shè)計規(guī)則。由于油氣懸架系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性研究已經(jīng)逐步加強(qiáng)，理論研究、實際設(shè)計相結(jié)合模式也在不斷的深入，所以需要建立一套通用的油氣懸架設(shè)計規(guī)則，使對油氣懸架的研究設(shè)計更加規(guī)范化、系列化。
研制、開發(fā)整車和多橋油氣懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，實現(xiàn)懸架系統(tǒng)的參數(shù)化、可視化設(shè)計，并針對油氣懸架系統(tǒng)開發(fā)專門的計算機(jī)仿真軟件。
從被動懸架技術(shù)向半主動懸架、主動懸架技術(shù)發(fā)展，選擇微處理器系統(tǒng)，采用電子自動化控制，最終實現(xiàn)油氣懸架的主動化自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)。油氣懸架系統(tǒng)是一種新型的底盤懸掛系統(tǒng)，是空氣懸架的應(yīng)用特例。隨著技術(shù)的進(jìn)步，關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定已被掌握，油氣懸架系統(tǒng)以現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)為依據(jù)，結(jié)構(gòu)和性能在逐漸地改進(jìn)和完善。油氣懸架系統(tǒng)在國內(nèi)車輛底盤技術(shù)上的需求也在不斷地增大，應(yīng)用前景非常廣闊。
五、 論文提綱
1 緒論
1.1 油氣彈簧系統(tǒng)概述
1.2 油氣彈簧的工作原理
1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1國外研究現(xiàn)狀
1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
2 油氣彈簧總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 油氣彈簧的總體設(shè)計
2.2 油氣彈簧主要基本尺寸的確定
2.3油氣彈簧閥系設(shè)計
2.3.1 節(jié)流閥片厚度的設(shè)計
2.3.2 油氣彈簧節(jié)流縫隙的設(shè)計
2.3.3 節(jié)流閥片限位裝置的設(shè)計
2.4 導(dǎo)向?qū)挾鹊脑O(shè)計
2.5 密封件的選取
2.6 連接體的設(shè)計
3 單所室油氣彈簧理論模型建立
3.1 單氣室油氣彈簧受力分析
3.2 油氣彈簧彈性力數(shù)學(xué)模型
3.2.1 氣體狀態(tài)的選取
3.2.2彈性力數(shù)學(xué)模型
3.3 油氣彈簧阻尼力數(shù)學(xué)模型
3.3.1 阻尼孔的類型
3.3.2 閥片產(chǎn)生的阻尼力數(shù)模型
3.4 油氣彈簧總輸出力數(shù)學(xué)模型
4 油氣彈簧的特性仿真分析
4.1 MATLAB軟件及仿真流程簡介
4.2 油氣彈簧剛度特性仿真分析
4.2.1 氣室的負(fù)載特性與剛度特性
4.2.3 初始?xì)馐腋叨葘偠忍匦缘挠绊?
4.2.4 活塞桿內(nèi)徑對剛度特性的影響
5 油氣彈簧Pro/e建模與仿真
5.1 Pro/e主要特性
5.2 主要零部件Pro/e 建模
5.3 油氣彈簧運(yùn)動仿真
總 結(jié)
致 謝
參考文獻(xiàn)
六、進(jìn)度安排
序號
任務(wù)名稱
開始時間
結(jié)束時間
備注
1
公布畢業(yè)題目，組織選題
2015-11-1
2015-11-14
2
學(xué)生做開題報告
2015-11-15
2015-11-28
3
在老師指導(dǎo)下撰寫畢業(yè)論文
2015-11-29
2016-3-12
4
完成初稿，中期檢查
2016-3-13
2016-3-19
5
繼續(xù)撰寫論文，完成2,3稿
2016-3-13
2016-3-19
6
在老師指導(dǎo)下完成畢業(yè)論文最終稿
2016-4-10
2016-4-23
7
審閱及評定成績
2016-4-24
2016-4-30
8
組織答辯
2016-5-1
2016-5-7
9
歸檔
2016-5-8
2016-5-14
10
總結(jié)
2016-5-15
2016-5-21
七、參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日
二級學(xué)院或教研室審核意見：
院長（教研室）主任簽名： 年 月 日