四分之一车辆模型的机械装置doc.docx

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四分之一车辆模型的机械装置

摘要本论文主要设计一个1/4车辆悬架模型机械装置，体积小巧，拆装方便，结构简单，以便于采集信号，更好地作半主动悬架试验。

乘坐舒适性和行驶平顺性是现代轿车的两项基本性能特点，振动是影响乘坐舒适性的主要因素。

悬架是汽车中实现操作稳定性和行驶平稳性的基本机械结构，主要由弹簧和减振器组成，其功能是缓和路面不平引起的冲击和振动以改善平顺性。

1/4车辆悬架模型的机械装置集激励、振动于一体，用位移传感器和加速度传感器采集信号，通过计算机处理，由磁流变减振器执行控制阻尼。

进行了各个轴、板力的较核，以及弹簧的设计，选取了位移传感器、加速度传感器和磁流变减振器的型号。

最后画了立体图，装配图和主要零件图。

关键词半主动悬架;1/4车辆模型;磁流变减振器AbstractThisthesismainlydesignsone1/4vehiclesuspensionmodelmechanism,whichthebulkisdelicate,thedismantlingandinstallingiseasy,theconfigurationissimple,sothatitcancollectsignalmoreeasilyanddothesemiactivesuspensionexperimentbetter.Therearetwobasiccharacterscomfortsandsmooth,thelibrationisthemaincauseofeffectingtothecomforts.Thesuspensionisthebasicmechanismtorealizetheoperationstabilityandsteerplacidity,whichmainlyconsistofspringanddamper.Thefunctionistoimprovethesmooththroughreducingtheconcussionandlibrationcausedbygravamenoftheroadsurface.1/4vehiclesuspensionmodelisthemechanismwhichispromptingandlibrationrolledintoone.Itusesdisplacementsensorandaccelerationsensortocollectsignals,then,ECUdealswiththem,theMagnetorheologicaldampercontroldamp.Furthermore,checktheaxisandboard,designthespring,electtheitemofdisplacementsensor,accelerationsensorandMagnetorheologicalfluiddamper.Atlast,therearesoliddrawings,assemblingdrawingandthemainpartsdrawing.keywordssemiactivesuspension,1/4vehiclemodel,Magnetorheologicaldamper.毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名日期指导教师签名日期使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名日期学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名日期年月日导师签名日期年月日指导教师评阅书指导教师评价

一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意设计是否有创意□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师（签名）单位（盖章）年月日评阅教师评阅书评阅教师评价

一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意设计是否有创意□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师（签名）单位（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价

一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意设计是否有创意□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）（签名）年月日教学系意见系主任（签名）年月日目录前言11.悬架的概述21.1悬架的构造21.2悬架的分类51.2.1全主动悬架51.2.2半主动悬架51.3半主动悬架系统的研究进展61.3.1新型的半主动悬架系统61.3.2有级可调减振器61.3.3无级可调减振器71.3.4减振器驱动方式81.3.5半主动悬架控制策略81.4今后研究和开发工作展望91.5磁流变减振器的工作原理102.车辆模型的简化过程122.1汽车振动的简化122.2主动悬架142.3期望中的车辆特性173.信号处理的原理203.1半主动悬架的控制系统模型203.2信号采集过程的基本原理204.设计的机械装置214.1基于本次设计的有关参数214.2振动台、减振器等标准件的选取244.3连接轴（杆）的设计254.4弹簧的设计284.5立柱、固减件和第

二、三连接板的设计294.6导轨的设计314.7减振器和弹簧的安装314.8悬上质量和悬下质量的较核325.结论34致谢35参考文献36附录前言汽车半主动悬架控制系统的研究工作开始于1974年美国加州大学戴维司分校的研究工作，并在20世纪80年代初开始大规模生产应用。

半主动悬架折中了被动悬架和全主动悬架的优缺点。

半主动悬架可以根据汽车运行时的振动及工况变化情况对悬架阻尼参数进行自动调整。

半主动悬架控制律相对简单、能耗小，技术上易于实现，且能达到与主动悬架类似的优良品质，因而半主动悬架的应用前景相当广阔。

因此今后的目标是研究和开发适合我国国情的控制有效、能耗低、造价合理的半主动悬架振动控制这也比较系统。

模拟悬架系统机械装置设计是2004年南京林业大学科技创新基金项目车辆半主动悬架智能控制器研究的一个子项目,整个装置用Pro-E建模,然后转化为装配图。

1.悬架的概述1.1悬架的构造悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总成，它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力），纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。

现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都有弹性元件、减振器和导向机构三部分组成。

弹性元件使车架（或车身）与车桥（或车轮）之间做弹性联系，但弹性系统受到冲击后，将产生振动。

持续的振动容易是乘员感到不舒服和疲劳，故悬架还应当具有减振作用，使振动迅速衰减，为此，在许多结构型式的汽车悬架中都设有专门的减振器。

车轮和车架和车身跳动时，车轮（特别是转向轮）的运动轨迹应符合一定的要求，否则，汽车的某些性能（特别是操纵稳定型）有不利的影响。

因此，悬架中某些传力机构同时还承担着使车轮按一定的轨迹相对于车架和车身跳动的任务，因此这些传力机构还起导向作用，故称导向机构。

由此看这三者分别起着缓冲，减振和导向的作用。

在多数的轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还设有辅助弹性元件-----横向稳定器。

1．弹性元件；2.纵向推力杆；3.减振器；4.横向稳定器；5.横向推力杆图1.1汽车悬架结构示意图并非所有的悬架都设置上述这些单独的装置不可。

例如常见的钢板弹簧，除了作为弹性元件起缓冲作用而外，当它在汽车上纵向安置，并且一端与车架作固定铰接连接时，既可负担起传递所有各向力和力矩，以及决定车轮运动轨迹的任务，因而就没有必要在另行设置导向机构。

此外，一般钢板弹簧是多片叠成的，它本身即具有一定的减振能力，因而在对减振的要求不高时，在采用钢板弹簧作为弹性元件的悬架中，也可以不装减振器。

由悬架的刚度和悬架弹簧支撑的质量（弹簧质量）所决定的车身自然振动频率（或称振动系统的固有频率）是影响汽车的行驶平顺性的悬架重要性能指标之一，人体所习惯的频率是步行身体上下运动的频率，约为1～1.6Hz。

车身自然振动频率应当尽可能地处于或接近这一频率范围，根据力学分析，如果将汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，则悬架系统的自然振动频率（固有频率）为其中，g------重力加速度；f------悬架垂直变形（挠度）；M------悬架簧载质量；KMg/f------悬架刚度（不一定等于弹性元件的刚度）指使车轮中心相对车架和车身向上移动的单位距离（即使悬架产生单位垂直压缩变形）所需加于悬架上的垂直载荷。

由上式可见

（1）在悬架所受垂直载荷一定时，悬架刚度愈小，则汽车自然振动频率愈低。

但悬架刚度愈小，在一定载荷下悬架垂直变形就愈大，这对于簧载质量大的货车，在结构上难以保证。

故实际上货车的车身自然振动频率往往偏高，而大大超过上述理想的频率范围。

（2）当悬架刚度一定时，簧载质量愈大，则悬架垂直变形愈大，而自然振动频率愈低。

故空车行驶时的车身自然振动频率要比满载行驶时的高。

簧载质量变化范围愈大，则频率变化范围也愈大。

为了使簧载质量从相当于汽车空载到满载的范围内变化时，车身自然振动频率保持不变或变化很小，就需要讲悬架的刚度做成可变的，即空车时悬架刚度小，而载荷增加时，悬架的刚度随之增加。

有些弹性元件本身的刚度是可变的，如气体弹簧；有些悬架所用的弹性元件的本身的刚度随是不变的，但如果在悬架中采取了某些措施，可使整个悬架具有可变的刚度，例如渐变刚度钢板弹簧。

悬架可以分为两大类非独立悬架和独立悬架（图1.2）。

非独立悬架的结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架挂在车架或车身的下。

独立悬架则是每一侧的车轮单独地通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。

采用独立悬架时，车桥都做成断开的。

非独立悬架独立悬架图1.2非独立悬架与独立悬架示意图为了加速车架和车身振动的衰减，以改善汽车的行驶平顺性，在大多数汽车的悬架系统内部装有减振器。

减振器和弹性元件都是并联安装的。

汽车悬架系统中广泛采用液力减振器。

液力减振器的作用原理是当车驾与车桥做往复相对运动，而活塞在缸筒内往复移动时，减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一些窄小的空隙流入另一内腔。

此时，孔壁与油液的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散到空气中。

减振器阻尼力的大小随车架和车桥相对运动速度的增减而增减，并且与油的黏度有关。

因此要求减振器所用油液的黏度受温度变化的影响尽可能小；且具有抗汽化，抗氧化以及对各种金属和非金属零件不起腐蚀作用等性能。

减振器的阻尼力越大，振动消减得越快，但却使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，同时，过大的阻尼力还可能导致减振器连接零件及车架损坏。

为解决弹性元件和减振器之间的这一矛盾，对减振器提出如下要求

（1）在悬架压缩行程（车桥和车架互相移近的行程）内，减振器阻尼力应小，以便充分利用弹性元件的弹性，以缓和冲击。

（2）在悬架伸张行程内（车桥与车架相对远离的行程）内，减振器的阻尼力应大，以求迅速减振。

（3）当车桥（或车轮）与车架的相对速度过大时，减振器应当能自动加大液流通道面积，使阻尼力始终保持在一定的限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。

1.2悬架的分类传统的悬架系统的刚度和阻尼是按经验或优化设计的方法确定的，根据这些参数设计的悬架结构，在汽车行驶过程中，其性能是不变的，也是无法进行调节的，使汽车行驶平顺性和乘坐舒适性受到一定影响。

故称传统的悬架系统为被动悬架系统。

如果悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶调节（车辆的运动状态和路面状况等）进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，则称为主动悬架。

主动悬架系统按其是否包含动力源可以分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。

1.2.1全主动悬架全主动悬架是根据汽车的运动状态和路面状态，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。

它是在被动悬架（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控作用力的装置。

通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统4部分组成。

执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁铁等）。

测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。

控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是电子计算机。

能源系统的作用是为以上各部分提供能量。

1.2.2半主动悬架半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它无动力源且只由可控的阻尼元件组成。

由于半主动悬架结构简单，工作时几乎不消耗车辆动力，而且还能获得与全主动悬架相近的性能，故有较好的应用前景。

半主动悬架按阻尼级有可以分成有级式和无级式两种。

（1）有级式半主动悬架它是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择悬架所需要的阻尼级。

也就是说，可以根据路面条件（好路或坏路）和汽车的行驶状态（转弯或制动）等来调节悬架的阻尼级，使悬架适应外界环境的变化，从而可以较大幅度地提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。

半主动悬架中的三级阻尼可调减振器的旁路控制阀是由调节电动机来带动阀芯转动，使控制阀孔具有关闭，小开和大开3个位置，产生3个阻尼值。

该减振器应用于OPELSENTOR和OPELGA轿车上。

（2）无级式半主动悬架它是根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架系统的阻尼在几毫秒内有最小变到最大进行无级调节。

无级半主动微处理器从速度、位移、加速度等传感器处接受到信号，计算机出系统相适应的阻尼值，并发出控制指令给步进电动机，经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的通道节面积，从而改变系统的阻尼。

该系统虽然不必外加能源装置，但所需传感器较多，故成本仍较高。

1.3半主动悬架系统的研究进展现代汽车正朝着安全、智能化和清洁化的方向发展，悬架系统智能化解决了传统被动悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题并能适应变化的行驶工况和任意道路激励，代表了悬架系统发展的方向。

主动悬架能获得一个优质的隔振系统实现理想悬架的控制目标，但能量消耗大，成本高，结构复杂，其中能量,成本和可靠性是限制主动悬架发展的瓶颈。

半主动悬架通过改变减振器的阻尼特性适应不同的路面和行驶状况的需要，改善乘坐舒适性和操纵稳定性。

由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架且结构简单，无需力源，能耗小，因而是近期最能走向市场被推广应用的新兴技术。

1.3.1新型的半主动悬架系统前人基于天棚阻尼的概念发明了半主动阻尼器，并应用于生产，但对悬架性能的改善是极其有限的。

后来，有人提出了开关控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，这种悬架已应用到实车上，其后又有人在半主动悬架控制中引入了此方法，并改进了控制算法的稳定性。

日产公司研制了一种声纳式半主动悬架，它可通过声纳装置预测路面信息，悬架减振器有柔和、适中和稳定3种选择状况。

随后有研究人员利用了电流变和磁流体作为工作介质，研究了新型的半主动悬架系统。

半主动悬架系统除了少量的开启电液阀的能量以外，几乎不需要外加能源，研究表明，只要恰当选择控制逻辑，半主动阻尼器可以达到像主动减振器一样的减振效果。

通常，半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节的悬架。

目前，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号实现对减振器阻尼系数的有级可调和无级可调。

1.3.2有级可调减振器有级可调减振器阻尼在三档之间快速切换，切换时间通常为几毫秒，有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。

有级可调减振器通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置使减振器的阻尼在软/中/硬三档之间变化，有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性，有级可调减振器的设计关键是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数缩短切换时间从而使复杂的控制策略应用成为可能，以进一步提高悬架的控制品质。

1.3.3无级可调减振器无级可调减振器的阻尼调节可采取以下几种方法

（1）节流孔径调节通过步进电机驱动减振器的阀杆连续调节减振器的通流面积，来改变阻尼节流阀或其他形式的驱动阀来实现。

这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。

（2）减振液黏性调节使用黏性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，电流变液体在外加电场作用下，其流变材料性能（如剪切强度，表观黏度等会发生显著的变化，将这种电流装入减振器并在内外筒之间加上电场通过改变电场强度使电流液体的黏度改变，从而改变减振器的阻尼力。

由于电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，这无疑是一个较好的选择。

但电流变液体存在较多问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场黏度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大、容易分离，沉降稳定性差，对杂质敏感等难以适应电流变减振器长期稳定工作的需要。

要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题设计一个体积小、重量轻，能任意调节的高压电源；为保证电流变液体的正常工作温度必须设计一个散热系统；充装电流变液体时，要保证无污染；性能优良的电流变液体；高压电源的绝缘与封装。

电流变减振器在国外已有一些产品问世。

如德国的商业电流变液与电流变减振器及美国的相关产品等。

磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体，将磁流变液体装入磁流变减振器通过控制磁场强度可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级可调。

磁流变减振器具有电流变减振器同样的特点，响应比电流变减振器要慢，主要是磁流变液体的磁化和退磁需要时间。

磁流变减振器通常采用活塞缸结构，磁流变液的通路有位于活塞上的阻尼孔或单独的旁路构成。

在磁流变液的通路上施加磁场，按结构可分为单出杆活塞结构和双出杆活塞结构.单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统。

磁流变液体的特点存在的问题是响应时间长、结构比较笨重、流变性能和稳定性还需要改进。

目前成功开发的电流变液体与磁流变液体的特性，从材料特性上看它们都能满足汽车工作要求，但在屈服应力、温度范围、塑性黏度和稳定性等性能方面，磁流边液体强于电流变液体，这也是选用磁流变液体作为半主动悬架系统减振器的减振液的主要因素。

其最主要的问题是实现电源