汽车减震器的运动仿真和应力分析
汽车减震器的运动仿真和应力分析,汽车,减震器,运动,仿真,以及,应力,分析
本科毕业论文(设计)开题报告论 文 题 目: 减振器的运动仿真和应力分析学 院:专 业 、班 级:学 生 姓 名:指导教师(职称) 毕业论文(设计)开题报告要求开题报告既是规范本科生毕业论文工作的重要环节,又是完成高质量毕业论文(设计)的有效保证。为了使这项工作规范化和制度化,特制定本要求。一、选题依据1. 论文(设计)题目及研究领域;2. 论文(设计)工作的理论意义和应用价值;3. 目前研究的概况和发展趋势。二、论文(设计)研究的内容1.重点解决的问题;2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路);3. 本论文(设计)预期取得的成果。三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);2. 论文(设计)进度计划。四、文献查阅及文献综述学生应根据所在学院及指导教师的要求阅读一定量的文献资料,并在此基础上通过分析、研究、综合,形成文献综述。必要时应在调研、实验或实习的基础上递交相关的报告。综述或报告作为开题报告的一部分附在后面,要求思路清晰,文理通顺, 较全面地反映出本课题的研究背景或前期工作基础。五、其他要求1. 开题报告应在毕业论文(设计)工作开始后的前四周内完成;2. 开题报告必须经学院教学指导委员会审查通过;3. 开题报告不合格或没有做开题报告的学生,须重做或补做合格后,方能继续论文(设计)工作,否则不允许参加答辩;4. 开题报告通过后,原则上不允许更换论文题目或指导教师;5. 开题报告的内容,要求打印并装订成册(部分专业可根据需要手写在统一纸张上,但封面需按统一格式打印)。10一、选题依据1、研究领域汽车设计、仿真分析2、论文(设计)工作的理论意义和应用价值理论意义:使用三维建模、仿真运动分析和 Anasys 应力分析优化了双筒液压汽车减振器结构,对于提高减振器研发效率与深入研究减振器的性能有着重要的意义。应用价值:对于传统减振器的研发而言,设计者通常需要反复地进行样件制造以及试验调试,以获得期望减振器特性,这样不仅效率低而且成本高。通过系统仿真, 能启发新的思想或产生新的策略,还能暴露原系统中隐藏问题,以便及时解决。因此通过计算机仿真软件建立减振器模型,模拟减振器特性,实现结构优化。3、目前研究的概况和发展趋势3.1 国内外发展现状(1) 国外汽车减振器发展现状到目前为止,国外液压减振器的处于充气式减振器、可调减振器及自适应减振器发展阶段,如荷载感应式和位置依存式等充气式减振器和可调减振器、电流变减振器和电磁流变减振器等自适应减振器。其中双筒液压减振器的发展时间较长,市场占有率极高,而可调减振器等新式减振器也已经投入市场,并有商品车辆出现。以上的减振器类型都是对无级调整阻尼力、高频激振阻尼力以及减振器温度特性的完善,并且在改善减振器的外特性和减低噪声等两个方面有较大的进步。(2) 我国汽车减振器发展现状汽车减振器在我国的发展时间短,而且起点也更低,总体技术水平仅处于发达国家 80 年代的技术水平,远远落后于发达国家。因此,我国许多轿车的减振器使用进口减振器,尤其是中高档轿车。而且许多国产汽车、微型车等众多车型仍使用普通双筒液压减振器。因此,提高我国汽车减振器研发水平已经成为我国汽车悬架系统中亟需解决的问题,也是我国汽车行业发展规划中需要优先解决的问题。虽然我国汽车减振器技术水平较低,但是经过 10 多年的发展,我国取得极大的进步。一是我国减振器及其零部件的标准上有许多突破,国家和企业都制定了减振器及其零部件制造的行业标准,为设计和制造汽车减振器提供了标准的参照依据。二是我国也出现了许多汽车减振器制造各种专用设备的生产厂家,如旋压封口机、注油机和清洗机等等;三是汽车减振器配套的零部件生产厂家的水平不断提高,如封油、橡胶件、减振器油、粉末冶金件等厂家的水平提高。以上三个方面的发展都在提高我国汽车减振器的研发水平上发挥了重要的作用。到目前为止,我国已经可以生产卫星面包车独立悬挂减振器, 而且我国生产的独立悬挂减振器被部分国外汽车生产商所使用。在减振器理论研究上,我国也取得了一些成就,如已经研制出主动液压减振器的试验样机。3.2 发展趋势在人们对汽车减振器要求也来越高的背景下,汽车减振器在未来必然自适应可调减振器、向复合型减振器以及新型减振器的方向发展。(1) 自适应可调减振器自适应可调减振器的结构由传感器、控制器和执行机构三个部分组成。减振器产生的阻尼不仅可以实现分级调节,还可以实现连续调节,减振器的可调特性可通过调节阻尼特性有电控执行器实现,或者电控执行器调节改变节流阀通流面积实现。自适应可调减振器的关键在于能否对阻尼实现不间断的调节,既振动器可依据汽车振动情况连续的调节阻尼,从而达到最好的减振效果。自适应可调减振器已经投入市场应用, 但是由于技术的不完善,该技术还未被完全推广应用。(2) 复合型减振器复合型减振器是普通双筒液压减振器发展的必然结果。复合型减振器继承了普通液压减振器的优点,也弥补了普通液压减振器的缺点,因此复合型减振器必将成为汽车减振器未来发展的趋势。例如充气式双筒液压减振器,它不仅提高了普通液压减振器的外特性,减振器的临界速度也得到极大的提高,减振器出现外特性畸变的几率更低,降噪性能更优越,静摩擦力小,稳定性高。(3) 新型减振器新型减振器主要指借助电磁原理设计而成的减振器,由于电磁流变液体和电磁流变弹性技术的发展,电磁流变在理论上已经可以任意控制阻尼的大小。但是该技术仍处于理论研究的起步阶段,理论也不完善和不成熟,与减振器生产实践也存在很大的差距。电磁流变减振器仍需要广大科研机构和科研人员进行深入的开发和研究,逐渐完善理论,并应用于实践,促进汽车减振器行业的发展。3.3 仿真的发展概况和发展趋势(1)发展概况仿真作为一门正在快速发展的综合性学科,其三大研究内容,即仿真建模与模型验证方法、仿真支撑系统和仿真应用工程构成了仿真学科的三大支撑。随着科技发展, 仿真学科主动与计算机及数据处理、图形图像等相关学科迅猛发展的新技术相结合, 激发出仿真技术的质的飞跃。仿真学科正在向服务于系统的全寿命、全系统的管理全方位的方向发展;仿真学科与应用领域的密切结合,使得仿真正在从实验室走向国民经济的主战场,成为仿真工程,从仿真学术研究发展到仿真产业,仿真确实已经成为人类认识和改造世界的重要途径之一。(2)发展趋势仿真应用发展方向是网络化、虚拟化、智能化、协同化、普适化。研究重点包括基于现代网络技术的分布建模与仿真的研究与应用、智能系统建模及智能仿真系统的研究与应用、综合自然环境的建模/仿真研究与应用、虚拟样机工程技术研究与应用、嵌入式仿真研究与应用等。二、论文(设计)研究的内容1. 重点解决的问题(1) 双筒液压汽车减振器的建模(2) 双筒液压汽车减振器运动学仿真(3) 双筒液压汽车减振器应力分析2. 拟开展研究的几个主要方面(论文写作大纲或设计思路)(1) 车用双向筒式液压减振器结构分析(2) 车用双向筒式液压减振器有限元模型构建(3) 基于 Solid Works Motion Simulation 的减振器的运动性能分析(4) 基于 Anasys 的汽车减振器应力应变分析(5) 车用双向筒式液压减振器结构优化3. 本论文(设计)预期取得的成果(1) 一套完整的双筒液压汽车减振器计算机三维模型(2) 一套双筒液压汽车减振器优化分析说明书(3) 一篇外文文献翻译三、论文(设计)工作安排1. 拟采用的主要研究方法(技术路线或设计参数);基于双向筒式液压减振器不仅在体积上比较小,更加有着成本低,寿命长的重要特点,能有效的产生减振效果,因此本次选择双向筒式液压减振器作为研究对象。研究的主要内容为:对车用双向筒式液压减振器结构分析;对减振器的运动性能分析; 对汽车减振器应力应变分析;对车用双向筒式液压减振器结构优化。(1) 实体建模在计算机上利用以 Solid Works 软件为工具,进行减振器的实体建模。(2) 运动仿真利用有限元软件对减振器模型进行运动分析,目的是分析出双向筒式液压减振器里活塞所能承受的最大载荷,所以需要在活塞运动过程中对它进行受力分析。在汽车运动过程中,因为路况不同,所以减振器的受力也不同,在减振器的复原和压缩过程中,其内部的弹簧和密封件受力情况复杂,所以需要简化模型,将这些零部件不做分析,然后将活塞上下油腔类比成刚性弹簧。(3) 应力分析利用 Anasys 软件对减振器模型进行应力分析,通过进行静力分析来验证它在运动过程中是否安全可靠。活塞杆受载荷后的状态为压缩或者伸张,当活塞杆伸张时, 其油液经过伸张阀的常通孔隙进入下腔,而因为在这个过程中会产生较大的阻尼力, 从而削减振动,使得振动锐减,所以应以伸张工况的强度要求来设计活塞杆。(4) 优化设计通过对减振器运动过程的模拟分析得到了相关曲线,表征了减振器的运动信息, 通过这些曲线可以找到零部件设计的缺陷,进而进行优化设计。2. 论文(设计)进度计划 第 1 周:布置论文题目第 2 周:根据题目查阅文献,准备开题报告材料第 3 周:撰写开题报告,准备开题答辩第 4-5 周:车用双向筒式液压减振器结构分析第 6-9 周:车用双向筒式液压减振器有限元模型构建第 10-11 周:基于 Solid Works Motion Simulation 的汽车减振器的运动性能分析第 12 周:基于 Anasys 的汽车减振器应力应变分析第 13 周:车用双向筒式液压减振器结构优化第 14 周:打印、装订论文,准备毕业答辩四、需要阅读的参考文献1 陈王威,李云飞.汽车减振器的现状与发展趋势J.企业导报,2013,34(5):831-8342 蓝凤英, 郑莹娜, 李扬. 轿车减振器示功特性与减振器性能研究J. 自动化仪表,2013,09:1049-1066.3 周玉存, 贺丽娟, 崔世海. 汽车减振器的运动仿真和应力分析J. 液压与气动,2013,(01):15-16.4 赵云. 汽车筒式减振器阻尼力测试及分析J. 江苏大学学报( 自然科学版), 1998(4):59-65.5 陈家瑞.汽车构造M.北京:机械工业出版社,2011.6 陈耀钧.轿车液阻减振器阻力特性模拟计算及分析J.汽车技术, 1995,(10) : 7-13.7 任卫群,赵锋,张杰.汽车减振器阻尼的仿真分析J.系统仿真学报,2006,(18) : 957-960.8 蒋兵, 夏琼, 罗明军. 汽车双筒液压减振器工作特性仿真分析J. 汽车零部件, 2017(2):3-6.9 张芸华,尹辉俊,王祖皓.某乘用车减振器动态特性的建模与仿真分析J.机械设计, 2017(3):3-6.10 赵景波,倪彰,贝绍轶.电动汽车阻尼可调减振器多模式切换控制研究J.西南大学学报(自然科学版), 2017,39(6):158-164.11 Duym S W R. Simulation Tools, Modelling and Identification, for an Automotive Shock Absorber in the Context of Vehicle DynamicsJ. Vehicle System Dynamics, 2000, 33(4):261-285.12H.Z.Oi,Y.C.Lei,J.Wang.Nonlinear Mathematical Model for a kind of Vehicle Shock Absorbers, Proceedings of the 11th International Pacific Conference on Automotive Engineering,2001 C.Shanghai: Soc of Automotive Eng of China,2001.13S.B.Choi.Vibration Control of Vehicle Suspension System Featuring ER Shock Absorbing J.International Journal of Applied Electromagnetic and Mechanics,2008, (27) : 189-204.14V.V.Novice,O.V.Vibration Protection Provided by Automobile Suspensions with both Hydraulic and Inertial-frictional Shock AbsorbingJ.Russian Engineering Research,2009, (29) : 68 -70.附:文献综述文献综述1. 减振器的发展历史世界上第一个有记载、比较简单的减振器是 1897 年由两个姓吉明的人发明的。他们把橡胶块与叶片弹簧的端部相连,当悬架被完全压缩时,橡胶减振块就碰到连接在汽车大梁上的一个螺栓,产生止动。这种减振器在很多现代汽车悬架上仍有使用, 但其减振效果很小。1898 年,第一个实用的减振器由一法国人特鲁芬特研制成功并被安装到摩托赛车上。该车的前叉悬置于弹簧上,同时与一个摩擦阻尼件相连,以防止摩托车的振颤。空气弹簧减振器:空气弹簧不仅兼有弹簧和吸振的作用,而且常常可省去金属弹簧。第一个空气弹簧减振器是 1909 年由英国考温汽车工厂研制成功的。它是一个圆柱形的空气筒,利用打气筒可以把空气经外壳上部的气阀注满空气筒,空气筒的下半部分容纳一个由橡胶和帘布制成的膜片。因为它被空气所包围,所以其工作原理与充气轮胎相似,它的主要缺点是常常泄漏空气。液压减振器:第一个实用的液压减振器是 1908 年由法国人霍迪立设计的。液压减振器的原理是迫使液流通过小孔产生阻尼作用。通常的筒式减振器是由一个与汽车底盘固定的带有节流小孔的活塞和一个与悬架或车桥固定的圆柱形贮液筒组成。门罗在 1933 年为赫德森制造的汽车装用了第一个采用原始液压减振器的汽车。到了二十世纪三十年代末,双作用减振器在美国生产的汽车上被普遍采用。到了二十世纪六十年代,欧洲采用的杠杆式液压减振器占了优势,这种减振器与哈德福特的摩擦式减振原理相似,但使用的是液流而不是摩擦缓冲衬垫。充气式减振器:充气式减振器是二十世纪六七十年代以来发展起来的一种新型减振器。充气式减振器的特殊结构和充气参数,可以大大地降低噪音,并有利于保证活塞高速运动时的阻尼特征,同时减振器上的减振支柱实质上属于双筒结构,它除了阻尼减振还有如下附加功能:它和控制臂一起对车轮进行导向。2. 优化双筒式减振器的目的和意义随着我国经济的迅速发展,人民生活水平日渐提高,汽车已经成为人们的生活中必不可少的交通工具,并且对乘车的安全性和舒适性也有了更高的要求,对研究双筒液压减振器就是为了满足这一目的。车辆是一个由许多子系统组合而成的复杂系统,其总体性能与零部件的性能关系密切。因此,零部件的研发,不但涉及零部件本身的分析计算与试验等,而且涉及许多与整车有关的参数,是一个较为复杂的研发过程。减振器是车辆悬架系统中的重要部件,其性能的好坏对车辆的舒适性以及车辆及悬架系统的使用寿命等有较大影响。3. 双筒式液压减振器的工作原理及优缺点主要构成有:密封气室、浮动活塞、工作活塞、封圈、压力阀板、活塞、速度阀板、活塞杆等。双向作用筒式减振器工作原理如图1。在压缩行程时,指汽车车轮移近车身减振器受压缩,此时减振器内活塞3向下移动。活塞下腔室的容积减少,油压升高,油液流经流通阀8流到活塞上面的腔室(上腔)。上腔被活塞杆1占去了一部分空间, 因而上腔增加的容积小于下腔减小的容积,一部分油液于是就推开压缩阀6流回贮油缸5。这些阀对油的节约形成悬架受压缩运动的阻尼力。减振器在伸张行程时,车轮相当于远离车身,减振器受拉伸。这时减振器的活塞向上移动。活塞上腔油压升高,流通阀8关闭,上腔内的油液推开伸张阀4流入下腔。由于活塞杆的存在, 自上腔流来的油液不足以充满下腔增加的容积,主使下腔产生一真空度,这时贮油缸中的油液推开补偿阀7流进下腔进行补充。由于这些阀的节流作用对悬架在伸张运动时起到阻尼作用。由于伸张阀弹簧的刚度和预紧力设计的大于压缩阀,在同样压力作用下,伸张阀及相应的常通缝隙的通道载面积总和小于压缩阀及相应常通缝隙通道截面积总和。这使得减振器的伸张行程产生的阻尼力大于压缩行程的阻尼力,达到迅速减振的要求。图1双向作用筒式减振器工作原理双筒式减振器具有如下的优点:使用广泛、制造成本低,使结构简化,重量减轻、性能也较为稳定,而且是双向作用,在压缩与伸张的状态下都有设计好的阻尼力,所以在各个工况均可达到不错的减振效果。双筒式减振器具有如下的缺点:相比充气式减振器,结构较为复杂,不够轻便, 存在一定噪声,活塞直径小,阻尼小,可能发生油液乳化现象。4. 双筒式减振器国内外发展状况目前国内汽车减振器大部分是筒式液阻减振器,其阻尼力主要通过油液流经空隙的节流作用产生。减振器的设计开发也由基于经验设计加实验修整的传统方法向基于CAD/CAE 技术的现代优化设计方法转变。20 世纪 50 年代发展起来了液压减振器技术,在双筒式减振器内充入油液(0.30.5MPa)减振器的临界工作速度相应提高, 后来又发展了双筒式减振器,它采用活塞阀体与底阀相配合的结构,在浮动活塞在缸筒间的一端形成的补偿室内充入一定量的高压气体(2.02.5MPa)氮气。与双筒式减振器比,单筒充气式减振器质量显著减轻,安装角度不受限制,但其制造精度要求和成本较高。据调查,目前国内双筒液阻减振器配套产能有过剩趋势,生产高档次减振器的不多。单筒充气式减振器国内生产厂家正在消化吸收设计技术和提高制造工艺技术阶段,产品质量还没很过关。对于充气式减振器的研究也主要集中在单缸充气式汽车减振器方面。在郭孔辉院士的领导下,长春汽车研究所作了大量的试验工作,积累了一些经验。但由于橡胶的寿命不过关及设计、制造等多方面因素的影响,一直没有形成比较成熟的技术。近几年,由于高速公路的迅速发展,对舒适性的要求也越来越高, 国内对充气式减振器研究及产品开发工作又重新重视起来。哈尔滨铁路局减速预调速研究中心和哈尔滨工业大学的高起波、曾祥荣两位老师对充气式减振器性能进行了理论分析和试验。天津大学的马国清、王树新、卞学良等对充气式减振器建立数学模型, 建立计算机仿真程序,利用该程序可以得到参数变化对减振器性能的影响趋势,取得一些较好的研究成果。后勤工程学院的晏华等设计的充气式电流变减振器设计比较先进。有些厂家也投入人力物力对充气式减振器关键部件进行开发,如浙江瑞安东欧汽车零部件厂、贵州前进橡胶有限公司、宁波美亚达金属塑料有限公司等,并具有了一定的生产规模。国外工程机械主要配套件大多数都生产历史悠久,技术成熟、供应充足、生产集中度高、品牌效应突出。目前世界上生产减振器最大的企业,美国天纳克(TA)汽车工业公司是世界最著名的减振器生产商,也是目前全球最大的专业生产减振器的厂家,其生产的充气式减振器符合美国军用标准。同时还不断推出新的减振器,推动减振器技术不断向更高技术水平发展。另外还有几家较为先进的公司如:Ford 和 General Motors 这两家。这两家公司生产的减振器能很好的解决汽车的安全性和舒适性这两方面的要求,例如德国大众公司的 GTI、甲壳虫,奔驰-戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司生产的 C200 均采用了双筒油压式减振器,在保证安全性的前提下充分提升了汽车的稳定和操控性。5. 双筒式减振器国内外发展趋势由于汽车在不同的行驶工况下对减振器的特性有不同的要求,可调阻尼减振器是筒式减振器技术发展的目标。目前国外已经开发有机械控制式的充气式减振器,电子控制式的充气式减振器,在个别高档车还试用电流变液减振器,但电流变液减振器的工作温度范围窄-25125,其强度和化学稳定性较差,影响其工作的可靠性。充气式减振器相比电流变液减振器,不需要特殊的高压供电装置,成本低、使用安全、稳定性强。目前最先进的充气式减振器的响应时间约 10ms,需进一步提高。充气式减振器有很好的运用前景,是半主动或主动悬架较好的配置,但是尚需在缩短响应时间上改进。德国奥迪推出的 2.7T 越野车,使用了双充气式减振器,奔驰-戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司生产的 300C 和 Jeep4700 均采用了充气式减振器。充气式减振器是一个较为新兴的技术,可同时提高车辆的舒适程度、驾驶性能和安全性能。由于车轮控制得到改善,车辆的安全性和可靠性得到提升。通过控制车身运动,提高驾驶平顺性, 并使操作更精确、反应更迅速,在刹车和加速过程中减少乘员前冲和后仰。改善负荷转移特性,在车辆高速行驶中突然变向时,可提供更好的防侧翻控制。由于减小了路面反冲力,使驾驶更为安静、精确。正是由于这些特点,充气式减振器首先在中高级轿车上得到了应用。充气式减振器的发展前景,国外对充气式减振器的研究已经发展到电子控制式减振器。我国对减振器的研究主要集中在单筒充气式减振器方面,而且发展比较缓慢。我们应当在前人对充气式减振器研究的基础上更加深入地对其进行分析和研究,努力缩短和发达国家的差距。对充气式减振器的研究能有效的提高我国汽车工业的制造水平,降低汽车的制造成本,对中国经济的快速发展大有益处。综上所述,随着生活水平日益提高,人们对车辆出行舒适性要求也会日益提高, 对车用双向筒式液压减振器结构优化和改良刻不容缓。目前国内双筒液阻减振器配套产能有过剩趋势,但生产高档次减振器的不多。由于汽车在不同的行驶工况下对减振器的特性有不同的要求,可调阻尼减振器是筒式减振器技术发展的目标。指导教师评阅意见(对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅)审核签字:年月日意见教研室主任意见签字:年月日学院教学指导委员会意见签字:年月日公章:10审核意见指导教师评阅意见(对选题情况、研究内容、工作安排、文献综述等方面进行评阅)本次毕业设计任务是用三维建模、仿真运动分析和 Anasys 应力分析优化双筒液压汽车减振器结构,符合本专业培养要求,李涛同学针对毕设任务进行了认真全面的文献查询和收集工作,开题报告重点突出,论述清晰,时间分配合理,格式规范。同意开题。签字:何利日期:2018-01-10教研室主任意见同意签字:王建维日期:2018-01-13学院教学指导委员会意见同意签字:吴蒙华日期:2018-01-13公章:机械工程学院汽车减震器的运动仿真和应力分析摘要减震器是汽车悬架系统的关键部件,它起到抑制弹簧产生的冲击、吸收震后回弹和吸收路面冲击能量的作用。它能快速衰减车架和车身的振动,从而提高汽车的乘坐舒适性。目前,双向筒式减震器在汽车上得到了广泛的应用。减震器是汽车使用过程中的易损件,其工作质量将直接影响汽车行驶的平稳性和其他零部件的使用寿命。因此,本课题将重点研究双缸液压汽车减震器的设计、运动学仿真和动力学分析,为减震器的良好工作状态提供指导。 本课题的主要研究内容如下: (1)双向作用筒式减震器的工作原理和典型结构分析; (2)双向作用筒式减震器的设计,包括主要结构参数的确定,材料、液压油以及密封元件的选择; (3)双向作用筒式减震器三维模型构建及学运动仿真,获得速度、加速度、位移和力分布; (4)双向作用筒式减震器应力分析与结构优化。根据应力分析结果改进减震器设计,从而达到提高减震器使用寿命的目标。关键词:减震器;运动学仿真;应力分析;结构优化AbstractThe shock absorber is a key component of the vehicle suspension system, which mainly acts as a restraining force on the vibration of the spring and declining the impact of the road. It can rapidly decline the vibration of the frame and body, to improve the smoothness and comfort of the car. At present, the car is widely used in the bi-directional cylinder shock absorber. Shock absorber is the vulnerable parts in the process of car use, shock absorbers work good or bad, will directly affect the service life of the car moving stationarity and other parts, so this topic will focus on the design of the double tube hydraulic shock absorber, kinematic simulation and dynamic analysis, provide guidance for shock absorber is in good working condition.The main research of this topic is as follows: (1) the working principle and typical structure analysis of the bi-directional acting shock absorber; (2) the two-way role in shock absorber design, including the determination of main structure parameters, the material, the choice of sealing components and hydraulic oil(3) the three-dimensional model construction and learning simulation of the bi-directional type shock absorber, which is distributed by velocity, acceleration, displacement and force. (4) the stress analysis and structure optimization of bi-directional cylinder damper. According to the stress analysis results, the design of shock absorber is improved, and the life of shock absorber is improved.Keywords: Shock absorber; Movement simulation; Stress analysis; The optimization design目录摘要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1选题的目的和意义11.2减震器的发展历史11.3双筒式减震器国内外发展状况和发展趋势11.4减震器工作原理21.5研究的主要内容及方法3第2章 减震器设计42.1 双筒式液压减震器的设计参数42.2双筒减震器的外特性与设计的原则42.3双筒液压式减震器的参数与尺寸确定52.4 本章小结19第3章双筒液压减震器的三维造型203.1 使用SolidWorks绘制主要零件203.2 双筒液压减震器的装配体和爆炸图223.3 本章小结24第4章 双筒液压减震器的运动仿真254.1 利用SolidWorks运动模拟减震器的运动254.2 本章小结29第5章双筒液压减震器的应力分析和优化设计305.1 选取ANSYS作为应力分析软件305.2 运用ANSYS进行双筒液压汽车减震器的应力分析305.3 本章小结34第6章结论与展望35参考文献36致 谢37附 录 138附录2 外文原文41V汽车减震器的运动仿真和应力分析第1章 绪论1.1选题的目的和意义随着我国经济快速腾飞,人均收入水平日渐提高,汽车逐渐变成了人们出行依赖的交通工具,与此同时对乘驾汽车的安全性以及舒适性便有了更高要求,研究汽车减震器就是为实现这一目标1。运用三维建模、仿真运动分析和Ansys应力分析优化了双筒液压汽车减震器内部结构,对于提升减震器研发效率与深入研究其性能有着重要意义。对于传统减震器的研发而言,设计者通常需要反复地进行样件制造以及试验调试,以获得期望减震器特性,这样不仅效率低而且成本高。运用系统仿真,可以实现暴露研究对象中的潜在问题,以便及时解决。因此,通过计算机仿真软件建立减震器模型,模拟减震器特性,实现结构优化。1.2减震器的发展历史减震器的发展经历了下面几种形式:(1)加布里埃尔减震器(2)平衡弹簧式减震器(3)空气弹簧减震器(4)液压减震器(5)麦弗逊支柱式减震器(6)充气式减震器1.3双筒式减震器国内外发展状况和发展趋势1.3.1国内外发展(1)国外汽车减震器发展现状现在,国际上减震器处于充气式、可调和自适应减震器的发展阶段,如荷载感应和位置依存式充气式减震器以及可调、电流变和磁流变减震器等自适应减震器。这当中筒式液压减震器发展时间最长,市场占有率最高,而其它新型减震器也已投放市场,并在商品汽车中使用。(2)我国汽车减震器发展现状相比之下,我国发展汽车减震器时间较短,暂时落后于发达国家。所以,在中高端汽车中,多为使用进口减震器。不过,还有很大数量的国产中小型汽车仍然使用筒式液压减震器。增强减震器研发水平对于我们国家极其重要,对于中国汽车行业发展同样重要。1.3.2发展趋势(1)自适应可调减震器自适应可调减震器结构由传感器、控制器以及执行机构三大要素构成。产生的阻尼不但能够分级调节,而且能连续调节。通过改变节流阀的通流面积来实现可调特性。目前这种类型的减震器已经投放市场应用,只是还没有普及使用。(2)复合型减震器复合型减震器是筒式减震器未来发展的必经之路。它不但有着筒式减震器的全部优点,与此同时填补了其缺点,所以,它是减震器的趋势所在。举例来说,充气式双筒液压减震器不但增强了外特性,而且临界速度大幅度提升,降低了外特性畸变的概率,稳定性也得到提高。(3)新型减震器新型减震器是借助电磁原理而设计的。目前电磁流变能够实现调节阻尼大小,只是这项技术还不够成熟,距离实现生产制造并且投入市场使用还有很大一段距离。1.4减震器工作原理主要构成:环形吊耳、橡胶支座、活塞杆、密封件、保护管、活塞阀、底阀、储油室、活塞、工作缸等如图1.1。双向作用筒式减震器工作原理说明。在压缩行程时,指汽车车轮移近车身减震器受压缩,此时减震器内活塞3向下移动。活塞下腔室的容积减少,油压升高,油液流经流通阀8流到活塞上面的腔室(上腔)。由于活塞杆1占了上室一定空间,所以上室增加容积比下室减少容积小,因此少部分液压油流经压缩阀6流回储油缸5。在整个过程中,阀系对油的节流作用产生压缩过程的阻尼力。另一方面,减震器受拉伸,此时活塞向上运动。上室油压升高,由于减震器阀系属于单向阀,所以流通阀8关闭,上室液压油推开伸张阀4进入下室。来自上室流入的液压油容积小于下室增加容积,因此产生了真空度,从而导致储油缸中液压油推开补偿阀7进入下室。正是因为减震器阀系的节流作用产生伸张过程中的阻尼力。在相同压力作用下,伸张阀通道载面积总和相比于压缩阀通道截面积总和更小。因此,伸张过程中的阻尼力大于压缩过程,从而实现快速减震的效果。图1.1 减震器原理图1.5研究的主要内容及方法使用SolidWorks设计一种适用于松花江微型汽车,满足经济性以及实用性的筒式双作用减震器。经过社会调查以及大量资料查阅,在老师耐心地指导下,按照任务书要求完成设计工作。设计作品满足理论设计要求,技术指标符合标准,并且降低生产成本满足经济性、实用性要求。第2章 减震器设计 2.1 双筒式液压减震器的设计参数设计减震器需要的参数主要有下面几种8:(1)整车参数包括汽车总重量、悬架质量、纵惯性力矩、悬架刚度等整车参数。(2)几何布局参数包括弹性元件的位置、安装杆的角度等几何布局参数。(3)结构参数包括减震器和活塞直径、活塞杆直径、阀孔位置、数量和直径、工作筒直径和长度、储油筒直径和长度等结构参数。(4)工作参数包括减震器工作长度、活塞行程、活塞最大线速度、减震器阻尼系数等。设计工作主要包括活塞面积、阻尼比系数以及最大卸荷力等参数计算、尺寸设计计算、强度校核等。减震器上通常有两处通孔,一个在活塞上,另一个在补偿阀座上。根据活塞在压缩冲程中的最大线速度,即阀打开速度,计算活塞中的通孔面积。2.2双筒减震器的外特性与设计的原则2.2.1 汽车悬架与减震器的匹配与减震器的放置选用麦弗逊式悬架,结构如图2.1。特点:倾斜中心高度高;结构简单紧凑,占用空间小,广泛应用于汽车上。图2.1 悬架的结构图2.2.2双筒式液压减震器的外特性减震器设计包含两个要求:第一,外部特性一定满足车辆悬架性能要求;第二,需要有稳定持久的工作质量。如图2.2所示。a) b)图2.2减震器特性a) 阻力位移特性 b)阻力速度特性2.2.3双筒式减震器的外特性设计原则根据车身振动设计,而车体振动主要由车轴振动决定,车轴振动和车轮阻尼相关。增大相对阻尼系数能够减小车轮动载。与此同时,车身加速度也会随之增大。因此,在剧烈工况下,减震器反而增大了车身振动,导致舒适性变差。由此可得,外部特性的设计应具有两个基本含义:第一,外部特性和悬架振动特性相匹配;第二,在复杂的工作状态下,这种自适应外部特性可以被稳定地保持。减震器在复杂工况下保持外部特性的稳定性是评价悬架减震器减振效率和质量优劣的决定性标志。2.3双筒液压式减震器的参数与尺寸确定2.3.1 双筒式减震器相对阻尼系数的确定首先确定其簧上质量,本文设计对象是设计城市用小型车辆的减震器,参照哈飞民意微型车参数。如表2.1。表2.1 哈飞民意技术参数车型哈飞民意1.0L长宽高(mm)448117461526轴距(mm)2470轮距 前/后(mm)1300/1310最小离地间隙(mm)155最小转弯直径(m)4.75油箱容积(L)36整备质量(kg)1000满载质量(kg)1560最大功率(PS(kW)/rpm)106(78)5750最大扭矩(Nm/rpm)142/4000排量(cm3)970压缩比10悬架前:麦克弗逊式独立悬架,带三角型下横臂及横向稳定杆转向系统齿轮齿条式,可变助力转向制动系统四轮盘式制动(前轮采用通风盘)最高车速(km/h)100(1)悬架静挠度计算满载静止时悬架上载荷与这个瞬间刚度c的比值被称为悬静挠度,即fc=fwc(2.1)车体固有频率(偏移频率)由下式计算得:n=12cm(2.2)式中:c汽车前悬架刚度,N/mm;m汽车前悬架簧上质量,kg;n汽车前悬架偏频,Hz而汽车悬架的静挠度可用下式表示:fc=mgc(2.3)由这两式可得出:fc=25n2(2.4)根据上式计算可得: fc=188.6mm(2)相对阻尼系数当汽车悬架存在阻尼后,这时的振动为周期阻尼振动,悬架阻尼速度可使用相对阻尼系数来衡量。其中表达式为:=2cms(2.5)式中: c 为悬架系统的垂直刚度;为簧上质量;为阻尼系数。一般来说,压缩行程相对阻尼系数y比伸张行程相对阻尼系数s较小。它们之间关系为y=0.250.50s.设计过程中,选择y 和s 平均值。对于无摩擦弹性元件悬架, s=0.250.35 ;而有内摩擦弹性元件悬架,y 的值会取得较小。为了防止悬架碰撞车身,取y=0.5s。取=0.3,则有: s+0.5s2=0.3计算得:伸张s=0.4 压缩y=0.22.3.2 双筒式减震器阻尼系数的确定悬架系统固有振动频率为1.001.45,取1.2。确定减震器安装角度。经过大量试验得出安装角为30度最佳,如图2.3所示。图2.3 安装示意图根据下式:=2mswcos2(2.6)n=12cm=2n(2.7)代入数据得: w=2n得: w=6.19Hz ;取=30根据满载时计算:ms=12790-50=370kg代入数据得减震器的阻尼系数为:=20.33706.9121.732=2042.5NS/m2.3.3 最大卸荷力的确定当减震器活塞振动速度达到阈值时,为了减小传递到车身的冲击力,打开卸荷阀。此时活塞的速度称为卸荷速度,一般为0.150.30m/s,取0.2m/s。拉伸行程阻尼系数已知,拉伸行程中最大卸载力为: F0=svx(2.8)车体振动幅度,取40 mm;为悬架振动的固有频率。代入求得卸载速度为:vx=0.046.90.8cos30=0.24m/s符合在0.150.30 之间范围要求。根据拉伸行程最大卸荷力的公式:F0=svxc可计算出最大卸载力。式中c 为冲击载荷系数,取C=1.5;通过替换数据获得最大卸载力F0:F0=svxc =2042.50.241.5=765.3KN2.3.4 减震器工作缸直径D的确定根据拉伸行程最大卸荷力计算工作缸的直径D为:D=4F0p(1-2)(2.9)式中:p工作缸最大许用压力,取34MPa,连杆直径缸筒直径之比,其值为0.300.35,取为0.3。按式(2.9)计算:D=4F0p(1-2) =4765.33.143(1-0.52)=20.05mm根据QC/T491-1999汽车筒式减震器的尺寸系列及技术条件计算,如表2.2。将工作缸直径D修圆成直径30mm;壁厚取2mm,材质取20钢。表2.2工作缸直径(mm)工作缸直径D203040(45)5065已知工作缸直径D为30mm,根据表2.3,确定减震器复原阻力在1000至2800之间,与此同时压缩阻力不大于1000,确定复原阻力、压缩阻力分别为1800N、700N。表2.3复原阻力和压缩阻力取值(N)工作缸直径D(mm)复原阻力压缩阻力202001200不大于6003010002800不大于100040160045004001800(45)2500550060020005040007000700280065500010000100036002.3.5减震器工作行程确定根据执行机构实际工作最大行程确定液压缸工作行程长度,标准值参照表2.4和表2.5选择,活塞行程选择为180。表2.4减震器的设计尺寸标准()工作缸直径D基长贮液筒最大外径防尘罩最大外径压缩到底长度允差最大拉伸长度允差(HH型)(CG型)(HG型)(GH型)209070803440+3负值不限+4负值不限正值不限-3正值不限-430120861034856401601201406575(45)70805019012015580906521013017090102注:1、基长为设计尺寸,其值为。 2、为行程。 3、压缩到底长度。 4、最大拉伸长度。2.3.6 液压缸壁厚、缸盖、活塞杆和最小导向长度计算1、液压缸壁厚计算壁厚按材料力学薄壁圆筒公式计算。公式如下:PyD2(2.10)式中:实验压力,为最大工作压力(1.251.5)倍;液压缸壁厚;液压缸内径:缸筒材料许用应力。铸铁许用应力:在100MPa和110MPa之间。得: PyD2=1.53106302100106=0.675表2.5减震器活塞行程()工作缸直径D活 塞 行 程 S100110120130140150160170180190200210220230240203040(45)5065圆筒内径确定后,壁厚由强度条件确定。然后确定缸筒外径D1。设计中选用的筒体壁厚2,内径D是30。D=230=0.066由于比值小于0.1,所以按材料力学薄壁圆筒公式计算薄壁圆筒壁厚:pD2(2.11)式中:p液压缸的最大工作压力;缸筒材料的抗拉强度极限;n安全系数,一般取n=5;活塞杆材料的许用应力, =b/n。选择工作压力为3MPa,已知内径D为30mm。查阅GB69988选取=376MPa。=75.2pD2=3302=0.6设计壁厚是2,符合强度要求。2、液压缸的稳定性验算液压缸稳定条件如下: FFKnK(2.12)式中:液压缸最大推力;液压缸的稳定临界力;稳定性安全系数,一般取=24。由于当时需要进行稳定性的校核,根据长度的折算系数得故需要对液压缸进行稳定性验算,由式(2.13)与式(2.14)可知:(2.13)0.25(2.14)得表2.6稳定校核相关系数材 料ab12钢(Q235)310011.4010561钢(Q275)460036.1710060硅 钢589038.1710060铸 铁770012080由下式计算:(2.15)=2.2N(2.16)经过校核,液压缸稳定性符合要求。3、缸盖厚度的计算根据强度要求,用以下式子计算有效厚度t。无孔时:(2.17)有孔时:(2.18)式中:t缸盖有效厚度(m);D2缸盖止口内径(m);d0缸盖孔的直径(m);材料许用应力;-实验压力活塞杆直径D=20 mm,储液缸最大外径为48 mm,筒壁厚去除3mm,得得4、活塞杆的计算活塞杆采用如35、40、45、40Cr等材料,其硬度为HRC 18 HRC 32。设计中采用45钢,HRC 18硬度。活塞行程S为200 mm,杆长应大于行程长度,初步确定活塞杆长度为208.5 mm.5、活塞杆强度校核已知复原阻力、压缩阻力分别为1800N、700N。在确定活塞杆直径之后,必须满足液压缸稳定性和强度要求。液压缸稳定性验算 按照材料力学的理论,其稳定条件为(2.19)式中:液压缸最大推力;液压缸的稳定临界力;稳定性安全系数,一般取=24当l/d比值大于10,需要进行稳定性的校核,根据长度的折算系数得=0.7260/r(2.20)(2.21)由欧拉公式计算符合要求。(2.22)杆材料许用应力,材料屈服强度,安全系数n在1.4和2之间,随着系数越高,安全性越好,n取2。故,符合要求。6、对压杆稳定性进行校核杆长径比,当杆两端承受压力时,需对压杆稳定性校核。由上式可知:由于这是中长压杆,故采用直线公式计算临界力。(2.23)稳定性条件可表示为:(2.24)式中:工作应力;稳定许用应力。在工程中,稳定所需的应力通常表示为强度容许应力与小于1的系数的乘积,即(2.25)式中:折减系数。查阅机械设计手册得,根据表2.7可知杆折减系数。表2.7 压杆的折减系数柔度值Q235钢16锰钢铸铁木材01.0001.0001.001.00100.9950.9930.970.99200.9810.9730.910.97300.9580.9400.810.93400.9270.8950.690.87得出(2.26)压杆的稳定条件为(2.27)由式(2.24)和式(2.26)知压杆符合稳定条件。7、最小导向长度的确定最小导向长度指杆完全伸张时,活塞承载面中点到导向套滑动面中点的距离。最小导向长度H由公式(2.25)计算得:(2.28)式中:L液压缸的最大行程; D缸筒内径。2.3.7 液压缸的结构设计1、缸体与缸盖的连接形式主要连接形式有法兰连接、螺纹连接、内半环连接以及外半环连接。设计选用螺纹连接。主要原因如下:易于加工与拆卸;结构简单,成本低;强度较高且能承受高压。2、活塞杆同活塞连接形式过盈配合,不需要其它特殊连接结构。3、导向件结构导向件结构包括活塞杆、导向套、端盖以及密封防尘锁紧装置等结构。设计中采用上密封盖实现导向。4、密封圈选用根据不同密封部位、温度、压力和运动速度范围,选择不同类型的活塞和活塞杆处密封圈。设计中采用O形密封圈,具体尺寸按相关行业标准选择。5、液压缸主要部件的材料和技术要求( 1 )缸体采用45钢,调质HRC 28 - 33,与端盖之间通过螺纹连接,其表面法兰处理。( 2 )活塞采用40Cr,调质HRC 28 - 35,淬火上下两侧HRC 40 - 45,当活塞用橡胶密封圈密封时,配合f7 f9。( 3 )活塞杆采用40Cr,调质HRC 28 - 33,整个表面氮化,深度为0.4 0.75;利用磁探伤防裂纹;活塞杆与活塞采用H7/t6配合。( 4 )缸盖采用45钢;表面阳极氧化处理。( 5 )浮动活塞采用45钢;热处理后硬度达到HRC 28 - 33;法兰连接。2.3.8活塞、阀系尺寸计算1、活塞尺寸计算活塞宽度,取B=19mm。导向套滑动面长度A,D小于80mm,取,D大于80mm时,取,因此取A=1.0D,A=30mm符合设计要求,活塞内径为6mm。2、阀系计算由于活塞上阀系均为单向阀,单向阀的主要性能要求是液体向前流动时压力损失小。反向切断时密封性能好,动作灵敏,工作时无冲击噪音。本设计采用直通式单向阀。(1) 阀孔结构的设计当进、出油口前后压差较大,阀口流量过大时,出油口流场局部压力可能低于油中溶解空气的分离压力,使油中溶解的空气分离或局部压力低于油的饱和蒸气压,使油汽化。这两种情况都会导致油中出现气泡,从而使油的质量恶化。同时,当液体流向更高的压力时,这些气泡将瞬间破裂,这将产生噪音。这种噪声称为空化噪声。为了改善这种情况,在工艺过程中主要对阀孔结构进行了改进,液压油的压力逐渐降低并逐渐衰减。因此,在设计时,进、出油口的尺寸略大于阀孔的内径,油孔的直径与内径相差一定量,形成阶梯形,减小各级工作压差。(2) 阀孔尺寸计算首先计算压力阀孔的尺寸,取6个压力阀孔均匀分布。进、出油口直径D应符合下列公式:(2.29)式中:阀的公称流量;进、出油口的许用流速,一般取=6m/s。活塞速度一般是0.15 0.3m / S,取0.3m / S.由于活塞上的孔均匀分布有6个孔,每个孔的直径为d,孔的总面积应等于进油孔和出油孔的面积。D22=6d22d=D6由于故d=D66=2.4mm将d圆整为2mm。孔的长度一般根据经验公式(2.28)来确定(2.30)取。单向阀孔尺寸略大于压力阀,计算方法相似。结果表明,单向阀的直径为3 mm,孔长为3 mm。阀板在减震器中起到拦截作用,使活塞或底阀两端的油腔建立高压疏通油,产生节流压差,形成阻尼力。要求阀板平直度为0.02,两端平行度为0.01 0.02,维氏硬度HV 486 HV 600,弹性极限较高。阀板材料通常由钢带材料制成,例如65mn、60s I2 Mn和5crm NMO,它们通过精密冲压生产。然后进行成型热定形工艺。一般加热至38010,保温1小时即可凝固。过高的温度和过长的时间会导致硬度下降。2.3.9 密封元件和工作油液的确定1、密封元件随着气候、车辆行驶状态和地理环境特征的变化,自然界中的泥浆和水不断接触减震器的密封部分。一方面,接触结果侵蚀和磨损减震器密封部分的外露表面;另一方面,在一定条件下,它会穿过密封部分进入减震器,使减震器的性能变差,降低减震器的使用寿命。当油封唇口半径小于0.2 mm时,油封失去润滑油膜,活塞杆与油封之间的摩擦加剧。摩擦过大会使油封迅速失去抗泥水作用。因此,0.2 mm是油封唇口半径的最佳值。表2.8密封元件的尺寸项目尺寸(mm)d1810121820222526d2max6.68.410.215.817.719.622.523.42、油液的选取根据GB 7631.2 - 87,选用L - HFC型液压油。该产品通常是含有乙二醇或其它聚合物的水溶液,具有良好的低温性能、粘度和温度性能以及对橡胶的适用性。耐燃性好,常用于低压、中压系统,对温度适应性好,使用温度为- 20 - 50,适用于我国大部分地区的气温。2.4 本章小结列出了在减震器设计中需要的设计参数,通过查阅资料确定外特性设计原则,介绍了各种参数的选择方法、过程中所需要的公式和重要参数的确定。重点介绍了缸体、活塞杆、活塞、和、阀体的结构设计和尺寸计算。第3章双筒液压减震器的三维造型3.1 使用SolidWorks绘制主要零件以下为减震器各主要零件:3.1.1工作缸的三维造型使用旋转指令绘制工作缸,绘制草图,选取旋转轴,点击旋转指令,给定深度,360.0度,如图3.1所示:图3.1 旋转指令生成工作缸实体图3.2。图3.2工作缸三维图3.1.2活塞的三维造型使用旋转、拉伸、旋转切除实现活塞整体建模,建立基准面打直径为2.0mm的直径孔3个,再倒角命令绘制活塞,如图3.3所示。图3.3 活塞指令表生成活塞实体模型如图3.4。图3.4草绘实体图3.1.3活塞杆的三维造型在基准面在绘制草图,然后确定中心轴,使用旋转指令360度旋转绘制活塞杆,如图3.5。图3.5活塞杆草绘活塞杆实体如图3.6。图3.6活塞杆3.1.4活塞阀的三维造型使用凸台拉伸、拉伸切除、打孔、阵列命令绘制活塞阀,如图3.7。图3.7 活塞阀其中直径孔阵列属性为直径1.60mm,以阀体中心轴为阵列基准轴,每个间隔60度,6个发布在360度上,如图3.8。图3.8孔阵列3.2 双筒液压减震器的装配体和爆炸图各部件的三维实体模型完成后,首先根据装配图的要求,设置各部件之间的约束和配合方式,分别完成阀系总成、活塞杆总成和储油缸总成的装配。装配过程中使用的主要约束有 配对 、 对齐 、 相切 、 中心 和 垂直 等。活塞杆总成装配顺序为:把活塞杆当为中心的基本部件,阀系、环形吊耳、支座、密封件、工作缸和储油缸通过配对”和对准”约束依次装配。储油缸总成始终是压缩阀和补偿阀总成的基本组成部分,环形吊耳、密封件、支座、工作油缸和储油缸的总成依次通过配对”、对齐”和垂直”约束进行。然后,以活塞杆组件为基本部件,依次在 中心 和 切线 约束下进行储油缸组件、密封装置装配。3.2.1主要部件之间的装配液压阀与活塞杆之间的装配如图3.9所示。活塞杆与工作缸体之间的装配如图3.9所示。图3.9液压阀装配图3.10 活塞杆和液压缸装配3.2.2总装配图图3.11减震器装配图3.2.3爆炸图为了更好地了解减震器内部结构,使用爆炸图功能,将各部分零件拆分,爆炸图呈现如图3.12。图3.12减震器爆炸图3.3 本章小结SolidWorks是一个特征化、参数化、尺寸驱动的三维设计软件,可以绘制所需要的减震器二维草图和三维立体图5。利用SolidWorks对减震器进行设计,过程中不断改进,呈现效果直观。然后在SolidWorks中,将每个零件体通过装配组成一个完整的减震器装配体,生成爆炸图。第4章 双筒液压减震器的运动仿真4.1 利用SolidWorks运动模拟减震器的运动4.1.1 SolidWorks Motion介绍SolidWorks motion使用完整的运动学建模来计算元件运动,SolidWorks motion可用于分析模型中的力,包括弹簧、阻尼、电机和摩擦4。4.1.2研究内容本算例主要是为了得到运动中活塞杆的受力状况,为了确定在运动过程中活塞杆承受的最大载荷,对活塞杆进行应力分析。4.1.3研究思路减震器由于路面条件突变而受到外力压缩或恢复时,减震器内部的过程比较复杂,因此对这部分的运动过程应作一系列简化处理。首先,简化内部结构;对于弹簧、密封件等,由于它们的性能是固定的,一旦深入研究是复杂的,这些部件就简化而不进行分析。其次,改变配合关系,使活塞体与活塞杆整体相对固定,其它部分相对固定。将活塞和工作缸配合关系设置为“同心”,在运动分析过程中选择底阀上表面作为活塞与工作缸接触面。活塞上、下腔室内的液压油视为线性弹簧。所选成分材料为45钢,= 0.05。选择“运动分析”,然后添加重力场,设置地心引力加速度,并将弹簧刚度设置为35N / mm通过对减震器运动过程的模拟分析,分别得出速度-幅值曲线,力-幅值曲线,位移-幅值曲线,加速度曲线3。通过对运动过程的仿真分析,得到了相应曲线,并对运动信息进行了表征。设计者往往可以通过这些曲线发现零件设计的缺陷,进而优化设计。4.1.4仿真步骤运行Motion插件,生成运动算例,选择Motion分析。首先,点击,添加重力场,设定重力加速度g=9806.65mm/s2,方向沿Y方向(即指向液压缸方向),如图4.1。图4.1添加重力场将减震器上下油腔类比成刚性弹簧,点击,选取活塞杆下表面和底阀上表面为弹簧两端支撑面,在缸体和活塞杆上添加线性弹簧,弹簧刚度设为 35 N /mm,弹簧长度随模型更改而更新,默认弹簧直径和圈数,如图4.2。图4.2添加弹簧由于减震器需要一个力使其上下运动,相当于作为它的动力源。单击,在活塞杆顶部表面添加马达,设定为线性马达,根据需要修改其旋转方向和速度等参数,设置运动为振荡,运动速度为50 mm / s,频率选取1Hz,相位为90度,如图4.3。图4.3添加马达图4.4位移-时间点击播放按钮,进行仿真动画演示,可根据使用者需求设定单向循环或者往复循环动画演示。点击结果和图解,选择对应的四组参数,得到分析图分别如图4.5-8所示。图4.5位移幅值曲线图4.6速度幅值曲线图4.7加速度幅值曲线图4.8力幅值曲线4.2 本章小结从上面的图中可以看出,减震器的运动特性是正弦的,并且减震器的模拟速度可以通过改变运动信号或振幅来改变。当给定幅值时,改变信号的频率可以调节仿真的最大速度。因此,通过改变负载信号的频率或幅度,可以在各种速度下模拟减震器。第5章双筒液压减震器的应力分析和优化设计5.1 选取ANSYS作为应力分析软件使用ANSYS软件对减震器进行应力分析,主要分析活塞杆受力状态,并通过静态分析检验其在整个运动过程中是否安全可靠。活塞杆加载后的状态为压缩或膨胀。活塞杆受拉伸时,油通过伸张阀的通孔进入下腔。然而,在这个过程中,它将产生较大的阻尼力,从而减少振动和减少振动。因此,活塞杆应根据伸张条件的强度要求进行设计。典型的ANSYS有限元分析流程分为如下3个阶段9:(1)建立有限元模型(预处理器,Preprocessor)建立几何模型。定义单元和设定材料属性。网格划分。(2)加载和求解(求解处理器,Solution Processor)施加载荷和定义其他边界条件。求解。(3)查看和处理结果(后处理器,Post processor)查看分析结果。导出结果数据。判断结果的合理性。5.2 运用ANSYS进行双筒液压汽车减震器的应力分析5.2.1创建几何模型打开ANSYS17.0 Workbench,建立静态结构分析,如图5.1所示。图5.1建立静态结构分析双击打开Geometry,进入模型建立。点击,根据第三章活塞杆模型尺寸在XY平面绘制草图,如图5.2所示。图5.2 活塞杆草图选取杆件最长边为旋转轴,点击旋转指令,绘制活塞杆图5.3。图5.3 活塞杆实体5.2.2划分网格返回工作台主单元,双击。进入活塞杆编辑,点击,进行网格划分,根据ANSYS应力分析原理,网格划分越密集,分析精度越高,与此同时,分析过程耗时也越久,这里默认系统给定的6级划分精度,三角形网格。图5.4。图5.4 网格划分5.2.3施加载荷与其他边界条件返回工作台主单元,双击,进入活塞杆编辑,按照LoadForce进行载荷施加。由于活塞杆伸张时,阻尼力作用在伸张阀上表面,且阀体与活塞杆较小圆柱体过盈配合,等效于阻尼力作用在活塞杆较小圆柱曲面上,力的作用方向沿X方向,力的大小为5564N,如图5.5所示。图5.5 施加力按照Supports-Fix Support,定义边界条件图5.6。图5.6 定义边界条件5.2.4求解按照Solution-Total Deformation、Direction Deformation 得到应力、位移分析图如图5.7、5.8。图5.6 应力分析图图5.7位移分析图5.2.5优化设计分析图5.6可知,活塞杆在运动过程中最大应力出现在活塞阀与活塞杆连结面上,最大应力值为4.918MPa,由第三章计算所得最小许用应力值为75.2MPa,即活塞杆应力值最大位置的应力值远小于最小许用应力值,应力分析符合设计要求。优化设计可从下面两个方面开展:增大活塞杆顶部直径、减小活塞杆顶部长度图5.8。图5.8 活塞杆顶部5.3 本章小结利用ANSYS工作台对拉伸状态下的活塞杆进行应力分析,直观地显示减震器的运动信息。当减震器被拉伸时,活塞杆被拉伸。应力分析图表明,最大应力出现在活塞杆顶部,可以通过增大直径、减小长度来优化设计,从而减小压力。第6章结论与展望经过对双向筒式液压减震器的运动仿真和应力分析,得到以下结论:1、 双向筒式液压减震器具有成本较低、寿命长、能够迅速减震的优势;2、 经过运动学仿真,获得了速度分布规律,其中,最大速度157mm/s;最大加速度988mm/s2;最大位移161mm;3、 经过应力分析,减震器活塞杆与活塞阀连结位置应减小最大应力,可通过增大直径和减小长度来优化处理,从而实现提高减震器的使用寿命的目标;展望:1、希望制定加工工艺、制作减震器并试验,检验减震效果2、因软件和边界条件设置不准确,会有误差产生,需要进一步细化。参考文献1 陈王威,李云飞.汽车减震器的现状与发展趋势J.企业导报,2013,34(5):831-8342 蓝凤英,郑莹娜,李扬.轿车减震器示功特性与减震器性能研究J.自动化仪表,2013,09:1049-1066.3 周玉存,贺丽娟,崔世海.汽车减震器的运动仿真和应力分析J.液压与气动,2013,(01):15-16.4 孙健, 张豪, 杨青. 基于SolidWorks Motion的平面四杆机构运动分析J. 机械工程与自动化, 2018(1).任卫群,赵锋,张杰.汽车减震器阻尼的仿真分析J.系统仿真学报,2006,(18) : 957 -960.5 张广潮, 王敏. Solidworks在机械原理三维仿真动画制作中的应用J. 实验室科学, 2017, 20(2):69-73.陈家瑞.汽车构造M.北京:机械工业出版社,2011.6 蒋兵,夏琼,罗明军.汽车双筒液压减震器工作特性仿真分析J.汽车零部件, 2017(2):3-6.7 张芸华,尹辉俊,王祖皓.某乘用车减震器动态特性的建模与仿真分析J.机械设计, 2017(3):3-6.8 赵景波,倪彰,贝绍轶.电动汽车阻尼可调减震器多模式切换控制研究J.西南大学学报(自然科学版), 2017,39(6):158-164.9 CAE应用联盟组编. ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通M. 机械工业出版社, 2014.10 Duym S W R. Simulation Tools, Modelling and Identification, for an Automotive Shock Absorber in the Context of Vehicle DynamicsJ. Vehicle System Dynamics, 2000, 33(4):261-285.11 H.Z.Oi,Y.C.Lei,J.Wang.Nonlinear Mathematical Model for a kind of Vehicle Shock Absorbers,Proceedings of the11th International Pacific Conference on Automotive Engineering,2001C.Shanghai: Soc of Automotive Eng of China,2001.12 Mulyana T, Sebayang D, Rafsanjani A, et al. Mesh control information of windmill designed by Solidwork programJ. 2017, 277(1):012010. 13 V.V.Novice,O.V.Vibration Protection Provided by Automobile Suspensions with both Hydraulic and Inertial-frictional Shock AbsorbingJ.Russian EngineeringResearch,2009, (29) : 68 -70.14 Lindgaard E, Bak B L V, Glud J A, et al. A User Programmed Cohesive Zone Finite Element for ANSYS MechanicalJ. Engineering Fracture Mechanics, 2017, 180.15 Falahati M, Askar M B. Seismic Performance of the Pier Considering Structural-Fluid Interaction with ANSYS SoftwareJ. Journal of Applied Engineering Sciences, 2017, 7.致 谢感谢在我整个毕业设计过程中给予我批评指导与帮助的老师、同学们,尤其感谢我的指导老师何立女士,在毕业设计刚开题的时候就不断的给予我细心的指导和鼓励,在每次设计出现问题时,何立老师总是给予及时的解答,在整个设计过程中也教会了我许多其他的知识,并教会我使用了一些新兴的软件与绘图的技巧,让我终身受用。附 录 1仿真工具,建模和识别,适用于车辆动力学背景下的汽车减震器STEFAAN W.R. DUYM为了模拟车辆动力学,汽车减震器的物理模型一直用多种软件开发和实施进行多体模拟。在本文中,阻尼器模型结构与一些测量和估计技术一起被简要地阐述,以仅可能从测力计测量中检索模型参数。这些技术通常用在宝马7系列前悬架上的减震器上。1.引言减震器的设计包括几个阶段,诸如强调几何形状,强度,耐用性和功能。功能方面主要用于减震阀调节,目前仍在进行调整乘坐工作的手段,在乘坐工作中,几个原型由乘坐工程师通过一系列测试轨道驾驶汽车进行测试。然后,乘坐工程师给出他们测试的减震器的评估,并可能调整这一点,以获得更好的驾乘感受来处理汽车的属性。但是,整个调整过程显然是更偏向主观评估,这可能在很大程度上因人而异甚至随时间变化。减振器调谐过程中,对乘坐工程师困难的训练过程是导致主观因素的第二大原因。由于这个原因,业界开始开发一个完整的CAE办法来处理调谐问题(图1)。这种方法可以分解成三个连续的步骤。首先,一个阻尼器模型与一组可调谐模型参数将允许获得力、速度和位移的函数。其次,通过多体模拟的装置,车辆行为的特点通过借助于从给定道路获得的一组力和加速度输入。最后,这些力和加速度的时间历史通过启发式的装置转换成行驶和操控的量度。启发式通常导出的信号作为量化度量的加权总和,如RMS值,波峰因素和临界参数。该启发式计算表示用于乘坐和/或处理一个测量值的标量值。基于启发式,最佳的设计可以提出。这些启发式理想地从特定的汽车公司的工程师乘坐的代表性基团而获得,并且可以为每个单独的类型的汽车而变化。例如,跑车不应该提供与旅行车相似的驾驶行为。本文介绍了一种阻尼器模型的开发和确定预测阻尼力作为阻尼器位移和速度的函数给定的一组参数。为了直接涉及该模型的系数提供给可调谐阻尼器组件黑盒模型中,如在神经网络或受力状态图的方法中,被放弃有利于所谓的白盒模型提供的在阻尼器物理必要的洞察力。尽管本模型是基于以前的物理模型,但要强调的是,模型系数分组到全球系数以这样的方式,这些分组的方式为全局系统的识别提供了有效帮助。这对于大多数人来说非常重要,汽车制造商想要执行自己的身份识别,这是受到阻碍的其他物理模型的情况下,更详细的组件测试需要但并不总是有效的,例如流量台测试。此外,何时只进行测力计测量,没有必要采取冲击分开来达到获得时间与金钱的目的。这个建模是依据INVEC财团(布里特-EURAM程序)的需求来开展的,包括在其他7个汽车制造商(菲亚特,宝马,大众,保时捷,戴姆勒-奔驰,标致和雷诺),建立一个标准的阻尼器模型,以及捕获阻尼行为,并提供最小的模型结构和参数的缓解识别和多体模拟。与INVEC关联,其他三个供应商开发的其他组件如轮胎(倍耐力),衬套(金倍得)和发动机支架(科德宝)的标准模型。Monroe支持通过Matlab来实现模型的建立。在与MDI的关联公司的模式已经在ADAMS /汽车包装过程中得以实现。图1 概述全面CAE方法来调整汽车减震器最近也是标准模型的实现已经编写CADSI成DADS。该模型的范围将包括频率之内的所有的非线性和动态范围高达30Hz。以上为30Hz,即噪声的频率范围内,它似乎是非常困难的,以模拟一般的方式阻尼器的行为,由于它可以是各种各样的具体差异。由Lauwerys等给出的调查方法通过测量以及模拟装置来解决汽车减震器相关的噪声问题。应
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