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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，以惰性的氮氣作為彈性元件，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)在油氣懸掛技術研究方面起步較晚，直到上世紀80年代初期才真正有實際產(chǎn)品出現(xiàn)。而有些機構自主研發(fā)能力不強，導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)進行實驗研究的過程?，F(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復雜系統(tǒng)，特別是高技術產(chǎn)業(yè)不可缺少的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段。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、文獻綜述
油氣懸架種類：
如圖2.1為單氣室油氣懸架結構原理圖。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運動，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：一是進一步壓縮蓄能器內(nèi)部的氣體而進入蓄能器；二是通過阻尼孔和單向閥而進入 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（此時單向閥處于關閉狀態(tài)），同時因 A 腔增大的體積大于 B 腔縮小的體積，結果會導致蓄能器的部分油液在氣體壓力作用下進入 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動時受到的阻尼力較小，這相當于傳統(tǒng)懸架中的彈簧作用；在后一種情形下，因單向閥關閉，活塞及活塞桿組件相對缸筒運動時受到的阻尼力較大，這相當于傳統(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構。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而通過阻尼孔和單向閥進入 B 腔，而反壓氣室內(nèi)的氣壓下降；相反地當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而進入 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，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構原理。它的特點是在工作活塞上部設有兩個并列氣室，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氣；另一氣室稱為補償氣室 B，其中充有比主氣室氣壓高的氮氣。兩個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。由于懸架中的補償氣室氣壓高于主氣室的氣壓，因此，當懸架上載荷增加時，先是主氣室參加工作。當載荷增加到一定程度時，補償氣室才參加工作。把補償氣室開始工作時的懸架載荷稱為臨界載荷，當懸架上載荷超過臨界載荷時，補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，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 氮氣充氣壓力下)，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構尺寸。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，這一特點可以有效地減輕懸架重量和減小結構尺寸。
結構緊湊、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，更適應重型越野車輛遠距離行程的特點。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載的車輛上應用，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，防護性較差。
b.成本一般較扭桿懸架要高，油氣懸架除了需要設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，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
國外學者在對油氣懸架系統(tǒng)進行開發(fā)的過程中，對其結構形式以及性能進行了大量的理論分析的試驗研究，技術不斷在提高，從研發(fā)到生產(chǎn)已經(jīng)形成了基本方法。然而核心技術環(huán)節(jié)涉及到企業(yè)的機密，比如結構設計資料等，外部人員無法查看，所以，在國內(nèi)無法查閱到關鍵的技術資料。
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)學模型方面。目前建立數(shù)學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)化的設計方式較非參數(shù)化設計具有一定的優(yōu)勢。針對單缸式油氣彈簧，Worden指出建立參數(shù)化的數(shù)學模型應在內(nèi)部工作狀態(tài)進行準確地描述基礎上，將自身結構參數(shù)與相關定律進行交叉滲透，并分析每個參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響，它的缺點是較多的參數(shù)使得校準、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，國外研究人員建議結合兩種方法進行建模研究，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行實際測量，并繪制壓差-流量關系曲線。
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)出新型的結構形式以及主動、半主動控制策略。經(jīng)過實踐應用和科研人員的不斷專研，油氣彈簧技術得到長足的發(fā)展和提高，國外產(chǎn)品早已進入成熟和實用階段。
2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)研究人員從20世紀80年代開始對油氣彈簧進行關注。20世紀90年代我國一些企業(yè)引進了具有油氣彈簧的車輛，此后形成了油氣彈簧技術研究的高潮，隨后，國內(nèi)一些高等院校也加入了科研隊伍。目前，國內(nèi)對油氣彈簧技術研究主要集中在以下幾個方面：
基本的設計理論研究。基于車輛的類型、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、閥片應力、應變特性及阻尼、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。目前山東大學研究人員根據(jù)相關參數(shù)之間的關系，建立油氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)設計數(shù)學模型和黃金分割優(yōu)化設計方法，實現(xiàn)油氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)解析設計。在此基礎上利用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設計。
油氣彈簧特性仿真及相關軟件開發(fā)的研究。國內(nèi)研究人員在該方面進行了大量的研究工作，主要對油氣彈簧的工作特性進行仿真模型建立以及定型分析，應用相關軟件進行仿真，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科研工作也開展得如火如荼。
目前，國內(nèi)的油氣彈簧技術在產(chǎn)品上的應用種類還比較少，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)到達應用階段，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、基礎性研究。這需要增加研究、開發(fā)經(jīng)費，引進和設計試驗設備。高校可以借助企業(yè)試驗平臺，既進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構設計，開發(fā)出獨立自主的油氣懸架產(chǎn)品。
加強結構設計和優(yōu)化設計。研究油氣懸架的剛度特性、阻尼特性、頻率特性，減振效果等，進行定性定量說明。油氣懸架的優(yōu)化設計，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構性能差異的對比以及影響車輛各種性能的因素，并將優(yōu)化結果納入油氣懸架的設計中，從而大幅度改善和提高車輛性能。
規(guī)范研究設計規(guī)則。由于油氣懸架系統(tǒng)性、基礎性研究已經(jīng)逐步加強，理論研究、實際設計相結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計規(guī)則，使對油氣懸架的研究設計更加規(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，實現(xiàn)懸架系統(tǒng)的參數(shù)化、可視化設計，并針對油氣懸架系統(tǒng)開發(fā)專門的計算機仿真軟件。
從被動懸架技術向半主動懸架、主動懸架技術發(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)，是空氣懸架的應用特例。隨著技術的進步，關鍵參數(shù)的設定已被掌握，油氣懸架系統(tǒng)以現(xiàn)代機械制造技術為依據(jù)，結構和性能在逐漸地改進和完善。油氣懸架系統(tǒng)在國內(nèi)車輛底盤技術上的需求也在不斷地增大，應用前景非常廣闊。
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 油氣彈簧總體結構設計
2.1 油氣彈簧的總體設計
2.2 油氣彈簧主要基本尺寸的確定
2.3油氣彈簧閥系設計
2.3.1 節(jié)流閥片厚度的設計
2.3.2 油氣彈簧節(jié)流縫隙的設計
2.3.3 節(jié)流閥片限位裝置的設計
2.4 導向寬度的設計
2.5 密封件的選取
2.6 連接體的設計
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)學模型
3.2.1 氣體狀態(tài)的選取
3.2.2彈性力數(shù)學模型
3.3 油氣彈簧阻尼力數(shù)學模型
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 氣室的負載特性與剛度特性
4.2.3 初始氣室高度對剛度特性的影響
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 油氣彈簧運動仿真
總 結
致 謝
參考文獻
六、進度安排
序號
任務名稱
開始時間
結束時間
備注
1
公布畢業(yè)題目，組織選題
2015-11-1
2015-11-14
2
學生做開題報告
2015-11-15
2015-11-28
3
在老師指導下撰寫畢業(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
2016-5-15
2016-5-21
七、參考文獻
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指導教師意見：
指導教師簽名： 年 月 日
二級學院或教研室審核意見：
院長（教研室）主任簽名： 年 月 日