2897 基于solidworks的汽車懸架設(shè)計(jì)及有限元分析
2897 基于solidworks的汽車懸架設(shè)計(jì)及有限元分析,基于,solidworks,汽車,懸架,設(shè)計(jì),有限元分析
現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù) 袁海濤 尹志宏 李鎖斌 汽車懸掛系統(tǒng)的減振仿真研究 47汽車懸掛系統(tǒng)的減振仿真研究袁海濤, 尹志宏, 李鎖斌( 昆明理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 , 云南 昆明 650093)摘要: 對(duì)汽車的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)和被動(dòng)懸掛系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析對(duì)比, 并以主動(dòng)懸掛系統(tǒng)為研究對(duì)象, 建立了基于 1/ 4 車輛動(dòng)力學(xué)模型, 應(yīng)用最優(yōu)控制理論進(jìn)行了二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì), 并用MAT LAB/ SIMUL INK 軟件進(jìn)行 1/ 4 車輛懸掛系統(tǒng)仿真分析, 仿真結(jié)果表明, 采用最優(yōu)控制方法的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)可以較好地改善車輛行駛的平順性和乘坐舒適性。關(guān)鍵詞: 主動(dòng)懸掛; 線性最優(yōu)控制理論; 仿真; MAT LAB/ SIMU LINK中圖分類號(hào): U463. 33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1672- 1616( 2010) 03- 0047- 03懸掛系統(tǒng)是指車身與車軸之間連接的所有組合體零件的總稱, 懸掛系統(tǒng)直接影響著汽車的安全性、穩(wěn)定性和舒適性, 是汽車的重要組成部分之一。汽車懸掛系統(tǒng)按有無(wú)外加能源供給, 可分為主動(dòng)懸掛系統(tǒng)和被動(dòng)懸掛系統(tǒng) [ 1] 。本文對(duì)主動(dòng)懸掛系統(tǒng)和被動(dòng)懸掛系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析, 并進(jìn)一步以主動(dòng)懸掛系統(tǒng)為研究 對(duì)象, 結(jié)合 車輛動(dòng)力學(xué)原理, 推導(dǎo)了一種基于最優(yōu)控制理論的主動(dòng)懸架控制方法。圖 1 主、被動(dòng)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖個(gè)正比于絕對(duì)速 度負(fù)值的主動(dòng) 力[ 2] , 就可以 無(wú)需對(duì)系統(tǒng)做較大的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)。1 主、被動(dòng)懸掛系統(tǒng)減振特點(diǎn)分析圖 1 中 k 2 為被動(dòng)懸掛系統(tǒng)的懸掛剛度, c1 為2 基于線性最優(yōu)控制理論的汽車主動(dòng)懸掛系統(tǒng)控制方法研究懸掛系統(tǒng)的阻尼系數(shù), m 為車身質(zhì)量。圖 1( a) 所示的懸掛系統(tǒng)稱為被動(dòng)懸掛系統(tǒng), 這種懸掛系統(tǒng)沒有能源供給裝置, 且該裝置的彈性阻尼系數(shù)是不變的, 阻尼與質(zhì)量 m 的速度有關(guān) , 因此在振動(dòng)過程中由上文分析可知, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工作可靠是無(wú)源被動(dòng)減振的主要優(yōu)點(diǎn), 然而它的減振效果是很有限的[ 3] 。鑒于此, 有 必要對(duì)主動(dòng)懸 掛系統(tǒng)作進(jìn)一 步的研究。阻尼會(huì)消耗振動(dòng)系統(tǒng)的 能量, 從而 起到減振的作 2. 1 控制方法的選擇用。被動(dòng)懸掛系統(tǒng)有以下特點(diǎn): 懸掛系統(tǒng)支撐車身質(zhì)量并隨路面運(yùn)動(dòng), 為了支撐車身質(zhì)量, 這時(shí)需要一個(gè)阻尼系數(shù)很大的 硬懸掛 ; 隔絕隨機(jī)路面不平控制方法是主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的核心技術(shù)之一, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了自適應(yīng)控制、預(yù)見控制、滑?？刂?、自校正控制、最優(yōu)控制理論、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)度對(duì)汽車的擾動(dòng), 顯然, 這時(shí)為了隔絕因路面不平 控制等方法 [ 4~ 6] 。其中最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)比較完而引起的顛簸, 懸掛支撐需要一個(gè)阻尼系數(shù)很小的軟懸掛 , 但是當(dāng)阻尼系數(shù)很小時(shí), 車身很容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象。由此可知, 被動(dòng)懸掛系統(tǒng)在解決這兩個(gè)矛盾時(shí), 顯得力不從心。圖 1( b) 所示的懸掛稱為主動(dòng)懸掛系統(tǒng), 它是由傳感器、控制器和執(zhí)行器組成的, 如果控制器能善, 其最大優(yōu)點(diǎn)是不必根據(jù)要求的性能指標(biāo)確定系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的位置, 只需根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線找出合適的狀態(tài)變量和控制變量的加權(quán)矩陣, 使系統(tǒng)性能指標(biāo)函數(shù)即目標(biāo)函數(shù) J 最小。主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)方程大多具有線性形式:x = Ax + Bv通過傳感器的信號(hào)而發(fā)出指令, 使發(fā)生器能產(chǎn)生一 式中: A 為 n n 系統(tǒng)矩陣; B 為 n r 控制矩陣; x收稿日期: 2009- 09- 28作者簡(jiǎn)介: 袁海濤( 1981- ) , 男, 河北邯鄲人, 昆明理工大學(xué)碩士研究生, 主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)。1 [ xT Qx + vT Rv + 2 x T Nv] d t2x - u48 2010 年 2 月 中國(guó)制造業(yè)信息化 第 39 卷 第 3 期為 n 維狀態(tài)矢量; v 為 r 維控制矢量。加約束后性 由此可得出系統(tǒng)的狀態(tài)方程為能指標(biāo)函數(shù) J 為: x = Ax + Bu + Ew ( 2)t2J =t 1式中: Q 為狀態(tài)變量的加權(quán)矩陣; R 為控制變量的加權(quán)矩陣; N 為交叉項(xiàng)的權(quán)重。這里應(yīng)注意: 要求系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng), 且要求系統(tǒng)完全能控; 優(yōu)化式中:A = -00k 1m 10 10 00 0010 ,后的閉環(huán)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。2. 2 主 動(dòng)懸掛系統(tǒng)動(dòng)力 學(xué)方程 的建立 及線性 二次型最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)0000 0 0- 1由于目前的懸掛形式主要是獨(dú)立懸掛, 而二自由度 1/ 4 車輛模型能較好地描述汽車獨(dú)立懸掛系 B= -1m 1, E= - 10 , w = y 0,統(tǒng)的實(shí)際情況, 故取 1/ 4 車輛模型作為主動(dòng)懸掛系統(tǒng)優(yōu)化控制的研究對(duì)象, 模型如圖 2 所示。1m 2E 為擾動(dòng)輸入矩陣。0在確定目標(biāo)函數(shù)時(shí), 應(yīng)考慮到汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性, 懸掛系統(tǒng)彈簧的動(dòng)擾度 ( y 1 - y 2) 會(huì)影響到汽車的平順性, 且車輪與路面間的動(dòng)載荷會(huì)影響汽車操控穩(wěn)定性; 從實(shí)現(xiàn)控制的角度看, 應(yīng)使所需的控制能量較小, 綜合以上幾種因素, 目標(biāo)函數(shù)可寫為J =0[ R u 2+ q 1( y 0- y 1) 2+ q 2( y 2- y 1) 2] d t圖 2 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 ( 3)圖 2 中 m 2 為 1 / 4 車身質(zhì)量; m 1 為車輪質(zhì)量; 或可寫成u = - Kx 表示懸掛對(duì)車身或車輪的作用力; K 為n 維行向量; k1 為車輪彈性系數(shù), 車輪的阻尼由于影響不大而忽略不計(jì), y 2, y 1, y 0 分 別表示 1 / 4 車J= [ x T Qx + Ru 2] d t0經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)是能控的, 其中( 4)身質(zhì)量、車輪質(zhì)量的位移和路面的激勵(lì)。 q1 0 0 0根據(jù)牛頓第二定律, 可寫出圖 2 所示系統(tǒng)的微分方程式: Q=00q200000m 1y 1 = k 1( y 0 - y 1) - um 2y 2 = u選取狀態(tài)變量為( 1 ) 0 0 0 0根據(jù)二次型性能指標(biāo)的線性系統(tǒng)最優(yōu)控制理論, 其最優(yōu)控制律為:x 1 = y 1 - y 0 u = - Kx = - R- 1 B T P ( 5)x 2 = y 2 - y 0x 3 = y 1式中: K 為最優(yōu)反饋增益矩陣 ; P 為實(shí)對(duì)稱常值矩陣, 滿足黎卡提( Riccat i) 代數(shù)方程, 即x 4 = y 2 - PA - AT P+ PBR - 1B T P- Q= 0 ( 6)由上式得:x 1 = x 3 - y 0x 2 = x 4 - y 0其中矩陣 Q 的大小與輪胎 位移加權(quán)系數(shù) q1 和懸掛動(dòng)擾度加權(quán)系數(shù) q 2 有關(guān), q 1 和 q 2 取不同的值就允許對(duì)不同的分量加不同的權(quán)系數(shù), 當(dāng)某個(gè)分量x 3 = - k 1m1 1 m 1需要特別約束時(shí), 可以增大該分量的加權(quán)系數(shù), 懸掛系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)見表 1。x 4 = um2 力。由表 1 參數(shù)可得到最優(yōu)反饋矩陣及最優(yōu)反饋現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù) 袁海濤 尹志宏 李鎖斌 汽車懸掛系統(tǒng)的減振仿真研究 49表 1 某高檔轎車懸掛參數(shù) u = 284 ( y 1 - y 0) - 447 ( y 2 - y 0 ) + 94y 1 -參數(shù)1/ 4 車身質(zhì)量/ kg符號(hào)m 2數(shù)值260323 y 2 ( 7)車輪質(zhì)量/ kg懸掛剛度/ ( N m - 1)m 1k 24017 000 3 模擬仿真分析輪胎剛度/ ( N m - 1)懸掛阻尼系數(shù)/ ( N s m - 1)k 1c 1160 000960在 MAT LAB 中的 SIMU LINK 環(huán)境下建立仿真模型, 并進(jìn)行對(duì)比分析, 取 y 0 = 0 01sin10 t , 仿K = [ - 284 447 - 94 323]圖 3真結(jié)果如圖 3 中的( a) ~ ( c) 圖所示。主、被動(dòng)懸掛的仿 真結(jié)果對(duì)比圖仿真, 得出以下結(jié)論:4 結(jié) 論通過對(duì)二自由度 1/ 4 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的分析與a. 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)很大程度上降低了車身的加速度, 提高了乘坐的舒適性。( 下轉(zhuǎn)第 53 頁(yè))現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù) 秦寶榮 范金桃 王軍鋒 盤類零件參數(shù)化 CAD/ CAM 系 534 結(jié)束語(yǔ) 了基于參數(shù)化建模及模板代碼的參數(shù)化 NC 代碼本文通過對(duì)盤類零件參數(shù)化 CAD/ CAM 系統(tǒng)的研究, 對(duì)盤類零件進(jìn)行形狀特征劃分, 定制基本形體特征庫(kù), 然后根據(jù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型和零件拼接程序?qū)M成零件的基本形體特征進(jìn)行組合和拼接, 可實(shí)現(xiàn)盤類零件的快速、準(zhǔn)確的參數(shù)化設(shè)計(jì); 同時(shí), 在參數(shù)化建模過程中的盤類零件形體特征數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)生成的方法, 為下一步系統(tǒng)的完整實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。最后, 在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同時(shí), 還將著重研究 CAPP 知識(shí)庫(kù), 為系統(tǒng)的完善奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn):存儲(chǔ)的幾何信息, 通過程序傳遞及規(guī)定的左右刀架數(shù)據(jù)分配規(guī)則為后續(xù)自動(dòng)生成 NC 代碼提供必要的加工信息, 即 為 CAD/ CAM 系統(tǒng) 的集成提供數(shù)據(jù)支持, 從而按照標(biāo)準(zhǔn) G 代碼格式生成數(shù)控加工代碼。另外, 針對(duì)雙刀架數(shù)控車削及法蘭盤加工的特點(diǎn), 對(duì)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并將主要加工對(duì)象按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類, 研究了針對(duì)法蘭盤加工的雙刀架數(shù)控加工自動(dòng)編程的部分關(guān)鍵技術(shù)問題, 提出[ 1][ 2][ 3][ 4][ 5]陳鼎寧, 孟 兵, 汪俊雙 . 刀架數(shù)控 車削程序校驗(yàn) 策略與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[ J] . 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2006, 37( 7) : 158- 162.宋愛平, 張 軍. 面向 CAD/ CAPP 集成的零件信息描述方法的研究[ J] . 成組技術(shù)與生成現(xiàn)代化, 2004, 21( 3) : 48- 51, 59.羅小燕, 羅會(huì)銘 . 回轉(zhuǎn)類零件 CAD / I- CAPP 集成專家系統(tǒng)研究[ J] . 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2007( 10) : 67- 69.劉楠 , 張琳娜 , 牛紅賓 , 等. CAPP 系統(tǒng)中零件信息的描述與輸入方法研究[ J] . 現(xiàn)代制造工程, 2005( 3) : 72- 74.劉 軍, 高曉莉 , 馬燕如 , 等. 軸類零件 N C 自動(dòng)編程及加工仿真系統(tǒng)[ J] . 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2007( 5) : 82- 83, 87.Research on Plate Parts Parametric CAD/ CAM SystemQIN Bao- rong, F AN Jin- t ao, WANG Jun- feng( Zhejiang U niversit y of T echnology , Zhejiang Hangzhou, 310014, China)Abstract: Aiming at CAD/ CAM system development of t he plat e parts paramet ric design, it int roduces thecharact erist ic of these plat e part s, proposes t he CAD/ CAM system structure and f unct ion model, establishesthe part model and designsp the automat ic NC generat ion arit hmet ic. T he application show s t he CAD/ CAMsyst em is effect ive.Key words: CAD/ CAM; Paramet ric; F eature M et hod; Aut omat ically P rogramming; T emplat e Code( 上接第 49 頁(yè)) 社, 2006.b. 由于主動(dòng)控制力的存在, 懸掛系統(tǒng)的動(dòng)行程變化平緩, 且比被動(dòng)懸掛系統(tǒng)行程小, 許用的懸掛空間得到了充分利用。c. 主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的輪胎加速度變化情況與被動(dòng)懸掛系統(tǒng)的相差不大?？傮w表明采用主動(dòng)控制懸掛系統(tǒng)可以較好地改善車輛的操控性和乘坐舒適性。參考文獻(xiàn):[ 2][ 3][ 4][ 5][ 6]王加春, 董 申, 李 旦 . 超 緊密機(jī) 床的主 動(dòng)隔振 系統(tǒng) 研究[ J ] . 振動(dòng)與沖擊, 2000, 19( 3) : 54- 56.丁文鏡. 減振理論 [ M ] . 北京: 清華大學(xué)出版社 , 1988.Y OSHIM U RA T, WATAN ABE K . Act ive suspension of a full carmodel using fuzzy reasoning based on single input rule modules withdynamic absorbers[ J] . Int J of V eh Des, 2003, 31( 1) : 22- 40.WU Long, CHEN Hui- li. Complex st ochastic w heelbase preview cont rol and simulat ion of a sem i- act ive mot orcycle suspension based on hierarch ical modeling met hod[ J ] . Int J of A utomotT ech, 2006, 7( 6) : 749- 756.李海波, 何 天明. 汽 車半 主動(dòng) 懸 架系 統(tǒng) 的研 究 現(xiàn)狀 及趨 勢(shì)[ 1] 賈啟芬, 劉習(xí)軍 . 機(jī)械與 結(jié)構(gòu)振 動(dòng)[ M ] . 天 津: 天津 大學(xué) 出版 [ J ] . 北京汽車, 2007( 3) : 22- 25.Research for Absorber of The Vechicle Suspension SystemYUAN Hai- t ao, YIN Zhi- hong, L I Suo- bin( Kunming Universit y of Science and T echnology , Yunnan Kunming, 650093, China)Abstract: It instroduces t he merits, t he w ork principal and diff erent charact eristics about passive suspensionand act ive suspent ion, illustrates how t o use opt ional cont rol theory to desig n a controlling met hod for automot ive act ive suspension and how to use MAT LAB/ SIMUL INK soft w are to perform 1/ 4 vechicle simulasionanalysis. T he simulat ion results show t hat the designed active suspension wit h opt ional controller can improvedriving vehicle smoot hness and comfort .Key words: Act ive Suspension; Linear Opt ional Cont rol; Cont rolling Method; Simulasion; Matlab/ Sim ulink
收藏