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摘 要
發(fā)展節(jié)能車(chē)是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，而節(jié)能車(chē)車(chē)架輕量化則是影響節(jié)能車(chē)節(jié)能的關(guān)鍵因素之一。本論文即是以節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)為研究基點(diǎn)，以降低油耗為出發(fā)點(diǎn)，分析車(chē)架結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)輛油耗特性的影響規(guī)律，為節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)做一些從理論到實(shí)戰(zhàn)的基礎(chǔ)研究工作。
國(guó)內(nèi)汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要手段是用傳統(tǒng)的樣車(chē)和舊車(chē)型作參考的模式，在對(duì)車(chē)架進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)對(duì)車(chē)架進(jìn)行大幅度的簡(jiǎn)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，汽車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。其中，有限元方法已經(jīng)成為建立有限元模型、模擬車(chē)架的主要分析途徑，并慢慢走向成熟。
本論文運(yùn)用solidworks軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行建模，并進(jìn)行利用有限元分析來(lái)分析車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，然后再對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后再對(duì)車(chē)架進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證后對(duì)車(chē)架進(jìn)行再優(yōu)化，使車(chē)架結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果。本文不僅運(yùn)用軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，還對(duì)車(chē)架進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，力求設(shè)計(jì)出最合理的車(chē)架結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：節(jié)能車(chē)；車(chē)架；輕量化；三維建模；靜力分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)
ABSTRACT
The development of energy-saving vehicles is the trend of the future development of automobiles, and the lightweight of energy-saving vehicles is one of the key factors that affect the energy saving of energy saving vehicles. This thesis is that energy saving car chassis design as the research basis, in order to reduce the fuel consumption as a starting point, analysis the influence law of the frame structure of vehicle fuel consumption characteristics, for energy conservation design of the car frame to do some basic research from theory to practical work.
The main method of domestic automobile design is to use the traditional model and the old model as the reference model, and the vehicle frame can be greatly simplified in the analysis and design of the frame. With the rapid development of computer technology, the structure design of automobile frame is gradually changed from the traditional experience design method to the modern design method. Among them, the finite element method has become the main analytical way to establish the finite element model and the simulation frame, and gradually mature.
This paper use solidworks software modeling was carried out on the frame, and using finite element analysis to analyze the frame structure strength, and then optimize the frame, optimization of frame again after verification, validation of frame after optimization, the frame structure to achieve optimal results. This paper not only uses the software to design the frame, but also carries on the physical verification of the frame, and tries to design the most reasonable frame structure.
Key words： Fuel Efficient Veicle; Frame; Lightweight; Statical Analysis ; Optimizasion Design
II
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目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1節(jié)能車(chē)的概述 1
1.2節(jié)能車(chē)車(chē)架研究的目的和意義 1
1.3節(jié)能車(chē)的節(jié)能技術(shù) 1
1.4車(chē)架優(yōu)化的技術(shù)手段 2
2 節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì) 3
2.1節(jié)能車(chē)車(chē)架研究的基本內(nèi)容及設(shè)計(jì)路線 3
2.2車(chē)架結(jié)構(gòu)選擇 4
2.3車(chē)架材料的選擇 5
2.4車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
3 節(jié)能車(chē)車(chē)架模型的建立 8
3.1車(chē)架方案一三維模型的建立 8
3.2節(jié)能車(chē)車(chē)架方案二三維模型的建立 9
3.3車(chē)架方案三三維模型的建立 10
4 節(jié)能車(chē)車(chē)架有限元分析 13
4.1 Solidworks有限元分析應(yīng)用簡(jiǎn)介 13
4.2節(jié)能車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)靜力分析 13
4.3車(chē)架方案三結(jié)構(gòu)優(yōu)化 22
5 節(jié)能車(chē)車(chē)架事物焊接及優(yōu)化設(shè)計(jì) 25
5.1車(chē)架實(shí)物焊接 25
5.2節(jié)能車(chē)試跑結(jié)果分析 26
5.3驗(yàn)證后的優(yōu)化設(shè)計(jì) 27
6 結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄1：外文翻譯 32
附錄2：外文原文 39
致 謝 43
III
節(jié)能車(chē)車(chē)架優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析
1 緒論
1.1節(jié)能車(chē)的概述
節(jié)能車(chē)是一種低耗底排的新型車(chē)，比普通汽車(chē)更環(huán)保更符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。本論文即是即是進(jìn)行節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)研究，為節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)做一些從理論到實(shí)戰(zhàn)的基礎(chǔ)研究工作。車(chē)架是車(chē)的重要部件，支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器、離合器、駕駛室等所有車(chē)上有關(guān)部件的質(zhì)量，承受著基本上整個(gè)車(chē)子的各種重力和力矩。此外，節(jié)能車(chē)要達(dá)到節(jié)能的目的必須進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，而輕量化設(shè)計(jì)則對(duì)車(chē)架的結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的要求，車(chē)架必須有足夠的彎曲剛度以保證安裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在車(chē)輛行駛過(guò)程中保持不變并使車(chē)身的變形量最??；車(chē)架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其有足夠的可靠性與使用壽命，整個(gè)車(chē)架在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開(kāi)裂。
1.2節(jié)能車(chē)車(chē)架研究的目的和意義
1.2.1車(chē)架優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的
而通過(guò)車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)車(chē)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)又能有效的減少車(chē)重，從而降低油耗。
1.2.2車(chē)架優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義
我國(guó)的汽車(chē)保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以節(jié)能減排是中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)需要考慮的關(guān)鍵，也值得國(guó)家重視。車(chē)架的輕量化能夠減少整車(chē)質(zhì)量，從而能使汽車(chē)達(dá)到節(jié)能減排的目的，節(jié)油了能源和資本，從而具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。
1.3節(jié)能車(chē)的節(jié)能技術(shù)
為能提高節(jié)能車(chē)的節(jié)油特性，可以優(yōu)化的對(duì)象有：傳動(dòng)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、汽缸、化油器、車(chē)架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)輪和輪胎等，本文著手于節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)分析。
車(chē)架提供給節(jié)能車(chē)的節(jié)油特性就是車(chē)架的重量。首先是車(chē)架材料的選擇，車(chē)架材料很大程度上決定著車(chē)架的重量。然后是車(chē)架的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)能有效減少車(chē)架的重量。但是車(chē)架是節(jié)能車(chē)的重要部件，車(chē)架支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向器、離合器、駕駛室等所有車(chē)架上需要支撐的部件的質(zhì)量，承受著基本上整個(gè)車(chē)子的各種重力和力矩，因此對(duì)節(jié)能車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的要求。接著是車(chē)架的輕量化設(shè)計(jì)，在保證車(chē)架的彎曲剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都滿足要求的情況下，對(duì)車(chē)架的一些不重要部位以及車(chē)架材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，一些受力不大或者對(duì)整車(chē)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響不大的部位可以相應(yīng)的去除。以此來(lái)減輕車(chē)架的重量，然后達(dá)到節(jié)能的目的。
1.4車(chē)架優(yōu)化的技術(shù)手段
本次節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)主要用solidworks軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，車(chē)架的優(yōu)化也是用solidworks軟件的Simulation插件進(jìn)行有限元分析，分析車(chē)架的靜應(yīng)力以及受力變形情況，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化。solidworks有限元分析應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、家電、電子產(chǎn)品等產(chǎn)品設(shè)計(jì)及研發(fā)，能夠確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的安全合理性，同時(shí)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案。
本論文最初設(shè)計(jì)了三套車(chē)架方案，運(yùn)用solidworks軟件建模，然后再用solidworks的Simulation插件分別對(duì)三套車(chē)架方案進(jìn)行靜應(yīng)力分析，分析后選擇出一套比較合理的車(chē)架方案，然后進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，驗(yàn)證后再優(yōu)化分析，然后再驗(yàn)證。通過(guò)這樣分析-優(yōu)化-分析-驗(yàn)證-優(yōu)化-分析-驗(yàn)證的方式，進(jìn)行來(lái)回的優(yōu)化、分析和驗(yàn)證，對(duì)車(chē)架結(jié)構(gòu)不斷的進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證，以求出最合理的車(chē)架。
2 節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)
2.1節(jié)能車(chē)車(chē)架研究的基本內(nèi)容及設(shè)計(jì)路線
2.1.1 節(jié)能車(chē)設(shè)計(jì)的大致內(nèi)容
（1）進(jìn)行節(jié)能車(chē)總體布局設(shè)計(jì)；
（2）進(jìn)行車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（3）進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；
（4）進(jìn)行車(chē)架實(shí)物焊接驗(yàn)證。
2.1.2 技術(shù)路線
表2-1 節(jié)能車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)路線
分析題目，查閱并收集資料
根據(jù)資料確定設(shè)計(jì)方案
完成節(jié)能車(chē)總體布局設(shè)計(jì)
節(jié)能車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
用solidworks軟件分析
對(duì)車(chē)架進(jìn)行實(shí)物焊接驗(yàn)證
完成裝配圖、零件圖
完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
N
2.2車(chē)架結(jié)構(gòu)選擇
車(chē)架是整個(gè)節(jié)能車(chē)的骨架，其需要支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向裝置、車(chē)輪、駕駛座、車(chē)殼等。因此在進(jìn)行車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝、駕駛員的駕駛空間、轉(zhuǎn)向裝置的安裝方式、車(chē)輪軸的支撐方式以及傳動(dòng)裝置傳動(dòng)方式的調(diào)整等。
目前車(chē)架的類(lèi)型大概有這幾種：平板式、空間桁架式、梯形式、X型式、脊骨式。雖然近段有的汽車(chē)廠在進(jìn)行車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使用多種車(chē)架類(lèi)型組合的復(fù)合結(jié)構(gòu)甚至無(wú)骨架結(jié)構(gòu)。但由于本文所設(shè)計(jì)的是節(jié)能車(chē)的車(chē)架，其要求重量更輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以本文還是選擇單一結(jié)構(gòu)形式的車(chē)架。而在車(chē)架材料的選擇上，管道或型鋼焊接的車(chē)架最符合本文的設(shè)計(jì)要求，但這需要焊接設(shè)備和焊接技術(shù)做支撐。
在多種車(chē)架類(lèi)型中，最常用的是平板式、空間桁架式和脊骨式，在進(jìn)行車(chē)架總體方案選擇時(shí)注意控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)形式，車(chē)手的駕駛姿勢(shì)以及車(chē)殼的裝卸等問(wèn)題。由于車(chē)架在是整車(chē)的骨架，其要支撐起整個(gè)車(chē)輛，所以還得考慮駕駛產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)車(chē)架的變形量，這會(huì)影響到各個(gè)部位安裝后會(huì)發(fā)生位移變形，導(dǎo)致節(jié)能車(chē)在駕駛時(shí)出現(xiàn)各種問(wèn)題，比如轉(zhuǎn)向靈敏度不符合要求，傳動(dòng)裝置出現(xiàn)卡死等。
以下是常見(jiàn)的車(chē)架類(lèi)型：
圖2.1 平板式
圖2.2 空間式
圖2.3 梯形
圖2.4 X型
圖2.5 脊骨式
在節(jié)能車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)上，在經(jīng)過(guò)對(duì)多種車(chē)架類(lèi)型的分析比較后，本設(shè)計(jì)的車(chē)架方案選擇上浮式和空間桁架式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其大體結(jié)構(gòu)如下圖：
圖2.6 上浮式和空間桁架式車(chē)架
2.3車(chē)架材料的選擇
本次設(shè)計(jì)的節(jié)能車(chē)車(chē)架所采用的材料是6061鋁合金。
6061鋁合金的主要合金元素是鎂和硅具有中等強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好等優(yōu)點(diǎn)。美鋁6061是6系合金的主要合金，是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品；美鋁6061具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、上色容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。
2.4車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前汽車(chē)制造企業(yè)的汽車(chē)設(shè)計(jì)的車(chē)輪大多都是3-4個(gè)，但本文所設(shè)計(jì)的節(jié)能車(chē)是為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)效率，進(jìn)一步減少車(chē)重，從而達(dá)到節(jié)能的目的。發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪直接通過(guò)鏈條與驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的鏈輪相連并進(jìn)行傳動(dòng)，所以本次所設(shè)計(jì)的車(chē)架都是前兩輪后一輪的節(jié)能車(chē)車(chē)型。
車(chē)架的類(lèi)型以及車(chē)輪結(jié)構(gòu)確定后本次就需要測(cè)量車(chē)架的具體尺寸，其大致是通過(guò)對(duì)車(chē)手的體型和坐姿定下整車(chē)的初步尺寸，在根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輪等個(gè)裝置進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量，車(chē)身高度盡可能降低，可以參考發(fā)動(dòng)機(jī)豎直放置時(shí)的最高點(diǎn)，這個(gè)高度車(chē)手躺下時(shí)的視野也是可以滿足車(chē)手的駕駛要求。整車(chē)的車(chē)架重心不能太高，避免車(chē)輛在駕駛時(shí)高速轉(zhuǎn)彎會(huì)發(fā)生翻車(chē)的危險(xiǎn)，底盤(pán)高度也要保證有足夠的離地間隙，防止車(chē)輛行駛過(guò)程中由于地面不平和自身震動(dòng)而出現(xiàn)底盤(pán)觸地的現(xiàn)象。通過(guò)前后載荷的分配來(lái)確定軸距輪距，保證有車(chē)輪對(duì)地面有足夠附著力，避免車(chē)輛在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向和剎車(chē)不靈的情況發(fā)生。在保證車(chē)架用料少的同時(shí)，也利于車(chē)身設(shè)計(jì)的流線型。
車(chē)架的前半部分大致是根據(jù)駕駛員的身高以及試駕姿勢(shì)確定，首先是置腳橫梁到前輪支撐梁的距離，在駕駛員坐下之后腿部伸長(zhǎng)的距離來(lái)確定；再根據(jù)駕駛員的前腳部的活動(dòng)范圍確定了置腳橫梁的橫向距離，因?yàn)橐紤]安裝腳踏板，所以置腳橫梁的寬度要比實(shí)際腳部的活動(dòng)范圍稍大；然后根據(jù)駕駛員駕駛時(shí)臀部的位置，確定車(chē)架前輪支撐梁到座椅橫梁的縱向距離，再根據(jù)駕駛員的體形需要確定座椅橫梁的橫向?qū)挾?；根?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的極限高度和駕駛員駕駛時(shí)頭部的高度確定座椅立梁的極限高度；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)體積的尺寸確定發(fā)動(dòng)機(jī)固定橫梁與車(chē)架座椅橫梁的間距；根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)底部定位孔的位置來(lái)確定支撐發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)固定橫梁的相對(duì)位置；根據(jù)后輪的大小以及發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輪傳動(dòng)時(shí)需要的空間確定后輪支撐梁的位置；根據(jù)選用車(chē)輪的直徑的大小和節(jié)能車(chē)底盤(pán)高度來(lái)確定后輪支撐樑與車(chē)架最下端的相對(duì)高度；根據(jù)駕駛員的駕駛姿勢(shì)來(lái)確定支撐駕駛員背部的斜樑的角度；由于前輪支撐梁中間連接的橫梁需要安裝轉(zhuǎn)向，所以前輪支撐梁的高度則根據(jù)駕駛員駕駛時(shí)其手部最方便的活動(dòng)范圍以及駕駛員的視野狀況來(lái)確定前輪支撐梁的高度。
根據(jù)要求，本文運(yùn)用CAD軟件設(shè)計(jì)了三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的車(chē)架進(jìn)行分析對(duì)比，三種車(chē)架方案駕駛員都是選用體型較小的40kg重、身高在1550mm左右的女駕駛員，駕駛員半躺駕駛，后置發(fā)動(dòng)機(jī)，單后輪驅(qū)動(dòng)。車(chē)架尺寸如下：
1、方案一
握把轉(zhuǎn)動(dòng)式轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角20度，駕駛員視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。車(chē)架總長(zhǎng)2335mm，總高625mm，車(chē)架最寬600mm，軸距1861mm，輪距800mm。
圖2.7 車(chē)架方案一設(shè)計(jì)圖紙
2、方案二
握把轉(zhuǎn)動(dòng)式轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角20度，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度?？傞L(zhǎng)2805mm，總高675mm ，車(chē)架最寬600mm， 軸距1861mm，輪距800mm。
圖2.8 車(chē)架方案二設(shè)計(jì)圖紙
3、方案三
前后拉桿式轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角20度，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度?？傞L(zhǎng)2380mm，總高390mm，車(chē)架最寬500mm，軸距1420mm，輪距800mm。
圖2.9 車(chē)架方案三設(shè)計(jì)圖紙
3 節(jié)能車(chē)車(chē)架模型的建立
前面設(shè)計(jì)了車(chē)架的具體尺寸大小，下面再利用solidworks繪制三個(gè)車(chē)架的立體圖形，方便對(duì)車(chē)架進(jìn)行分析和優(yōu)化。
3.1車(chē)架方案一三維模型的建立
1、建模流程如下：
（1）用solidworks建模，用多步凸臺(tái)拉伸命令，創(chuàng)建車(chē)架底板模型。
圖3.1 車(chē)架方案一模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
（2） 用solidworks建模，用凸臺(tái)拉伸和掃描命令，進(jìn)一步創(chuàng)建車(chē)架前輪支撐樑和前置腳橫梁的斜拉梁。
圖3.2 車(chē)架方案一模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
（3）用solidworks建模，用凸臺(tái)拉伸和掃描命令，進(jìn)一步創(chuàng)建車(chē)架座椅斜梁及后橋立梁。
圖3.3 車(chē)架方案一模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
（4） 車(chē)架方案一建模完成。
圖3.4 車(chē)架一模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
2、車(chē)架模型特點(diǎn)
由于車(chē)架座椅斜梁及后橋立梁支撐駕駛員，為了加強(qiáng)駕駛員后部、后橋前部這一部分縱梁的剛度，防止出現(xiàn)嚴(yán)重變形的情況，本文在上部增加了輔助縱梁，但為了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝方便，輔助縱梁和車(chē)架底部的高度大于450mm。
3.2節(jié)能車(chē)車(chē)架方案二三維模型的建立
1、建模流程如下：
（1）用solidworks建模，用凸臺(tái)拉伸和掃描命令。
圖3.5 車(chē)架方案二模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
（2） 車(chē)架方案一建模完成。
圖3.6 車(chē)架方案二模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
2、車(chē)架模型特點(diǎn)
為加強(qiáng)后橋的強(qiáng)度，增設(shè)了輔助斜梁，從而加強(qiáng)車(chē)架車(chē)架整體的剛度和強(qiáng)度。而且比方案一節(jié)省了一定的材料，和減少了一定的車(chē)架質(zhì)量。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了整車(chē)的輕量化，但是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要進(jìn)一步分析是否滿足要求。
3.3車(chē)架方案三三維模型的建立
1、 建模過(guò)程如下：
（1） 用solidworks建模，用多步凸臺(tái)拉伸命令，創(chuàng)建車(chē)架底板模型。
圖3.7 車(chē)架方案三模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
（2） 用solidworks建模，用多步凸臺(tái)拉伸、掃描和鏡像命令，進(jìn)一步創(chuàng)建車(chē)架其余橫梁以及斜樑。
圖3.8 車(chē)架方案三模型創(chuàng)建過(guò)程截圖
（3） 車(chē)架方案三模型建立完成。
圖3.9 方案三車(chē)架建模過(guò)程截圖
2、車(chē)架模型特點(diǎn)
由于此車(chē)架沒(méi)有設(shè)計(jì)安裝轉(zhuǎn)向把手的橫梁，所以此車(chē)架的轉(zhuǎn)向采用安裝在兩側(cè)的前后拉桿式轉(zhuǎn)向，這樣設(shè)計(jì)是為了方便車(chē)手的近出入，而且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，此車(chē)架結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用了大量的三角形結(jié)構(gòu)來(lái)增加其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
4 節(jié)能車(chē)車(chē)架有限元分析
4.1 Solidworks有限元分析應(yīng)用簡(jiǎn)介
solidworks有限元分析應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、電子產(chǎn)品、建筑等產(chǎn)品設(shè)計(jì)及研發(fā)。其作用是：確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的安全合理性，同時(shí)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本，在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題; 模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的核心技術(shù)。
使用solidworks進(jìn)行有限元分析的一般步驟：
1、建立數(shù)學(xué)模型；
2、建立有限元模型；
3、求解有限元模型；
4、結(jié)果分析。
4.2節(jié)能車(chē)車(chē)架的結(jié)構(gòu)靜力分析
分析車(chē)架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力就是要保證所設(shè)計(jì)的車(chē)架其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在材料的屈服強(qiáng)度范圍之內(nèi)，防止車(chē)架有超出其結(jié)構(gòu)能承受的最大應(yīng)力而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的情況。本文采用的車(chē)架材料是6061鋁合金，材料屈服強(qiáng)度為55.15MPa，所以我們要控制車(chē)架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在其范圍之內(nèi)。并且車(chē)架出現(xiàn)的變形要小于2mm。
4.2.1 Solidworks車(chē)架網(wǎng)格的劃分
方案一、二、三對(duì)應(yīng)的車(chē)架模型都是采用基于曲率的網(wǎng)格劃分。
圖4.1 網(wǎng)格因子參數(shù)
1、 方案一網(wǎng)格劃分前后截圖。
圖4.2 網(wǎng)格劃分截圖
2、 方案二網(wǎng)格劃分前后截圖。
圖4.3 網(wǎng)格劃分截圖
3、 方案三網(wǎng)格劃分前后截圖。
圖4.4 網(wǎng)格劃分截圖
4.2.2 Solidworks施加夾具和載荷
1、施加約束
本次分析主要是為了研究車(chē)架的靜應(yīng)力，忽略其他力的影響，本文分別對(duì)所設(shè)計(jì)三個(gè)車(chē)架的主受力面施加約束，車(chē)架主要受力有整車(chē)和車(chē)手的重力，而其支撐部位則為三個(gè)車(chē)輪的位置，所以需要要在車(chē)輪的支撐樑上施加約束。
圖4.5 solidworks關(guān)于約束的描述
根據(jù)車(chē)架受到車(chē)輪的力，本次分析本文采用的夾具為在平面上，然后限制其兩個(gè)方向的自由度，只留一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的自由度，這樣能夠更直觀的分析出車(chē)架受到的靜應(yīng)力。
圖4.6 solidworks添加約束
圖4.7 車(chē)架方案一施加約束圖
圖4.8 車(chē)架方案二施加約束圖
圖4.9 車(chē)架方案三施加約束圖
2、 施加載荷
添加約束完成后，接著對(duì)車(chē)架施加載荷。除了車(chē)架自身重力外，還有車(chē)手、發(fā)動(dòng)機(jī)等施加在車(chē)架上的重力，本次分析主要是車(chē)架自身、車(chē)手和發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車(chē)架施加的重力，所以載荷施加的部位分別為支撐車(chē)手和發(fā)動(dòng)機(jī)的位置。
圖4.10 方案一施加載荷截圖
圖4.11 方案二施加載荷截圖
圖4.12 方案三施加載荷截圖
4.2.3 Solidworks車(chē)架的靜應(yīng)力分析結(jié)果
圖4.13 方案一的車(chē)架位移圖
圖4.14 方案一的車(chē)架應(yīng)力圖
圖4.15 方案二的車(chē)架位移圖
圖4.16 方案二的車(chē)架應(yīng)力圖
圖4.17 方案三的車(chē)架位移圖
圖4.18 方案三的車(chē)架應(yīng)力圖
4.2.4車(chē)架靜力分析的對(duì)比
通過(guò)solidworks軟件對(duì)三個(gè)車(chē)架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力分析，發(fā)現(xiàn)車(chē)架變形不顯著，應(yīng)力均不大，位移也都在預(yù)算范圍之內(nèi)，三種車(chē)架方案的分析結(jié)果對(duì)比如下：
表4.1 三種方案的靜應(yīng)力分析結(jié)果
方案一
方案二
方案三
最大位移值 /mm
0.38
1.57
1.01
最大應(yīng)力值 /MPa
10.43
18.21
24.67
由表4.1可知，方案三所對(duì)應(yīng)的車(chē)架的應(yīng)力最大值為24.67MPa，小于所選材料6061鋁合金的屈服極限55MPa，而且其位移為1.01mm，方案二的最大位移量則是最大的，其應(yīng)力也不是最小的。三種方案通過(guò)比較可以看出，方案一所受的最大應(yīng)力和最大位移都比方案二和方案三的要小。再結(jié)合在第二章所討論的內(nèi)容可以得出一個(gè)暫時(shí)的結(jié)論：方案一是三個(gè)方案中較好的一個(gè)方案。
圖4.19 三種車(chē)架方案的質(zhì)量屬性
在完成對(duì)三種車(chē)架的靜應(yīng)力分析后，發(fā)現(xiàn)車(chē)架所受的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)小于車(chē)架材料的屈服強(qiáng)度，因此都滿足本次的要求，然后本文再對(duì)三種車(chē)架方案的重量進(jìn)行對(duì)比，方案一重量7.614kg是三個(gè)車(chē)架中最重的一個(gè)，而方案二和方案三分別為2.405kg和2.845kg，其重量差距不大接。因此，本文再對(duì)三種車(chē)架方案的結(jié)構(gòu)合理性、焊接難度以及車(chē)手上下車(chē)的方便的問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比，最終決定對(duì)方案三進(jìn)行優(yōu)化和實(shí)物焊接驗(yàn)證。
表4.2 三種方案的重量對(duì)比
方案一
方案二
方案三
重量 kg
7.614
2.405
2.845
4.3車(chē)架方案三結(jié)構(gòu)優(yōu)化
選定方案三作為本文設(shè)計(jì)的車(chē)架方案后，再對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)其在前面的分析中，發(fā)現(xiàn)其發(fā)動(dòng)機(jī)部位的輔助直梁受力并不大，因此取消該直梁對(duì)車(chē)架整體的結(jié)構(gòu)影響并不大。
圖4.20 車(chē)架優(yōu)化取消的輔助直梁
同樣，前輪橫梁的輔助支撐斜梁所受應(yīng)力也不大，其對(duì)車(chē)架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，因此也可以取消。
圖4.21 車(chē)架優(yōu)化取消的輔助支撐斜梁
取消該直梁后再對(duì)車(chē)架進(jìn)行應(yīng)力分析，確認(rèn)取消輔助直梁后車(chē)架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在允許范圍之內(nèi)，應(yīng)力分析結(jié)果圖如下：
圖4.22 車(chē)架取消輔助直梁后的應(yīng)力分析結(jié)果圖
圖4.23 車(chē)架取消輔助直梁后的應(yīng)力分析結(jié)果圖
圖4.24 車(chē)架取消輔助直梁后的應(yīng)力分析結(jié)果圖
根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果圖顯示，車(chē)架最大受力位置位于前輪橫梁與中間直梁的接觸位置，其大小為39.17MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度55.15MPa，所以取消發(fā)動(dòng)機(jī)部位的輔助直梁后車(chē)架整體強(qiáng)度在允許范圍之內(nèi)，而其最大位移為1.483mm，重量為1.8kg。受力，位移和重量在優(yōu)化后的變化如下表：
表4.3 車(chē)架優(yōu)化后的對(duì)比
優(yōu)化前
優(yōu)化后
最大位移值 /mm
1.01
1.594
最大應(yīng)力值 /MPa
24.67
36.66
重量 /kg
2.845
2.567
5 節(jié)能車(chē)車(chē)架事物焊接及優(yōu)化設(shè)計(jì)
5.1車(chē)架實(shí)物焊接
本次節(jié)能車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)不能止步于書(shū)面的研究，應(yīng)該進(jìn)行實(shí)物模型的建立，這樣才能更直觀的對(duì)車(chē)架進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化那些用solidworks設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。在進(jìn)行分析對(duì)比后，本文選擇對(duì)方案三進(jìn)行實(shí)物焊接，并進(jìn)行裝載驗(yàn)證。
圖5.1 車(chē)架焊接
車(chē)架焊接完成后進(jìn)行車(chē)輪、轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的安裝，在安裝部件的過(guò)程中，由于最初設(shè)計(jì)時(shí)為了讓駕駛員出入方便，前輪位置并沒(méi)有設(shè)計(jì)上橫梁，因此轉(zhuǎn)向不能采用常規(guī)的輪盤(pán)式轉(zhuǎn)向盤(pán)，轉(zhuǎn)向手把常見(jiàn)有兩種方式，輪盤(pán)式和前后拉桿式。由于本次設(shè)計(jì)的車(chē)架結(jié)構(gòu)的原因，本次設(shè)計(jì)采用前后拉桿式的轉(zhuǎn)向，其體積小，控制靈敏。
圖5.2 車(chē)架部件安裝
在安裝完各個(gè)主要部件后試駕：
圖5.3 節(jié)能車(chē)試駕
然后進(jìn)行實(shí)地試跑，并收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)操場(chǎng)一圈400米算，駕駛節(jié)能車(chē)跑25圈，等于行駛10公里，而行駛10公里的油耗為75ml，換算為133.33km/L。
圖5.4 節(jié)能車(chē)試跑
5.2節(jié)能車(chē)試跑結(jié)果分析
在實(shí)物模型的建立和試駕過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)以下的問(wèn)題，并進(jìn)行改動(dòng)：
（1） 車(chē)架前端變形幅度較大。由于采用的不是本次設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)的6061鋁合金材料，而是用鍍鋅管焊接，材料的性能差異導(dǎo)致車(chē)架前端支撐腳部的位置出現(xiàn)較大變形。
（2） 底盤(pán)過(guò)低。這會(huì)導(dǎo)致節(jié)能車(chē)在行駛過(guò)程中發(fā)生較大震動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)底盤(pán)觸地的情況，這需要修改車(chē)架后輪支撐部分的高度，前輪只需要對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)連接前輪輪軸的高度進(jìn)行改動(dòng)。
（3） 駕駛員坐姿太低。本次所設(shè)計(jì)的車(chē)架是半躺式，這就會(huì)影響駕駛員駕駛時(shí)的視野情況，并且舒適度不高，因此需要對(duì)背靠的斜梁的角度進(jìn)行調(diào)整，提高車(chē)手的視野角度。
5.3驗(yàn)證后的優(yōu)化設(shè)計(jì)
針對(duì)上述的問(wèn)題對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化，提高車(chē)架性能。首先是對(duì)車(chē)架進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，由于車(chē)架前端出現(xiàn)較嚴(yán)重的變形，所以要改變前端直梁的結(jié)構(gòu)，由原先的正方形管改為長(zhǎng)方形管：
圖5.5 車(chē)架前端樑直梁修改前和修改后截面圖
然后是提高背靠斜梁的傾斜角度以提高駕駛員的駕駛視角，將原先的傾斜角度41°改為46°：
圖5.6 車(chē)架背靠斜梁角度調(diào)整
然后是對(duì)車(chē)架進(jìn)行輕量化處理，由于前面本文對(duì)車(chē)架進(jìn)行靜應(yīng)力分析時(shí)車(chē)架受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力，所以可以減小車(chē)架材料的壁厚，以減小車(chē)架的整體重量，壁厚由原先的2.5mm改為1.5mm。修改壁厚后再對(duì)車(chē)架進(jìn)行分析，得到結(jié)果其最大應(yīng)力值為39.17Pa，依然在屈服強(qiáng)度之內(nèi)，而其變形位移最大位于前端橫梁值處，位移大小為1.48mm，都在預(yù)算范圍之內(nèi)。
圖5.7 優(yōu)化后的車(chē)架應(yīng)力分析圖
圖5.8 優(yōu)化后的車(chē)架位移分析圖
圖5.9 車(chē)架修改壁厚后的質(zhì)量屬性
與修改壁厚前的車(chē)架重量相比，修改壁厚后的車(chē)架重量得到減輕，所受最大應(yīng)力和最大位移的變化如下表：
表5.1 車(chē)架輕量化后的分析數(shù)據(jù)對(duì)比
優(yōu)化前
優(yōu)化后
最大位移值 /mm
1.594
1.483
最大應(yīng)力值 /MPa
36.66
39.17
重量 kg
2.567
1.802
隨后本文在進(jìn)行各種調(diào)整之后，再重新對(duì)車(chē)架進(jìn)行焊接并安裝上車(chē)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向等各個(gè)裝置，再進(jìn)行試跑，同樣是行駛10公里，油耗為63ml，換算為158.73km/L，優(yōu)化后的車(chē)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，并且油耗得到降低，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的目的。
表5.2 車(chē)架優(yōu)化前后油耗對(duì)比
優(yōu)化前
優(yōu)化后
油耗ml
75
63
6 結(jié)論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)節(jié)能車(chē)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析，其大體流程是：首先本文是根據(jù)查閱的資料用CAD設(shè)計(jì)出三套車(chē)架方案，然后用SolidWorks進(jìn)行建模并分析，選出較符合本文設(shè)計(jì)要求的車(chē)架方案進(jìn)行優(yōu)化，然后進(jìn)行車(chē)架焊接驗(yàn)證，再根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成在進(jìn)行車(chē)架焊接而后實(shí)地試跑并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，以便看出車(chē)架優(yōu)化后是否達(dá)到預(yù)期節(jié)油的效果。在對(duì)車(chē)架進(jìn)行數(shù)次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化后，根據(jù)幾次數(shù)據(jù)的對(duì)比，車(chē)架重量從最初的2.845kg優(yōu)化到1.802kg，車(chē)輛的油耗得到下降，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的目的。在第五章部分，在對(duì)車(chē)架進(jìn)行輕量化時(shí)，車(chē)架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和車(chē)架材料對(duì)輕量化有很大的影響，車(chē)架設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能直接影響到輕量化時(shí)的方向，而材料則影響到車(chē)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重量。并且進(jìn)行車(chē)架實(shí)物焊接時(shí)我們遇到許多在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，比如駕駛員的視角狀況，駕駛員上下車(chē)是否方便等問(wèn)題。駕駛可見(jiàn)視角會(huì)影響到駕駛員駕駛時(shí)對(duì)路面情況的判斷，而上下車(chē)是否方便則考慮的是在駕駛車(chē)輛的過(guò)程中如果車(chē)輛發(fā)生事故駕駛員能否快速逃生。所以在對(duì)車(chē)架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)物驗(yàn)證是很有必要的。最后本文設(shè)計(jì)出了一個(gè)結(jié)構(gòu)比較合理，重量較輕的節(jié)能車(chē)車(chē)架。
雖然設(shè)計(jì)的還算合理，但是由于本文制作車(chē)架的材料采用的是鍍鋅管，并不是預(yù)設(shè)的6061鋁合金，兩者的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同，所以焊接出來(lái)的車(chē)架在真正駕駛時(shí)其產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與變形都會(huì)與設(shè)計(jì)分析時(shí)的結(jié)果會(huì)有一些出入。但是進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題。
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附錄1：外文翻譯
隨機(jī)路面激勵(lì)下被動(dòng)半主動(dòng)懸架四分車(chē)模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化
G. VERROS
S. NATSIAVAS
亞里斯多德大學(xué)機(jī)械工程系，希臘(natsiava@auth.gr)
C. PAPADIMITRIOU
德國(guó)塞薩利大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程學(xué)系，38 334卷，希臘。
(2005年3月28日獲接納2005年1月4日)
文摘:提出了一種基于隨機(jī)路面激勵(lì)的非線性四分車(chē)模型懸架阻尼和剛度參數(shù)的優(yōu)化方法。調(diào)查開(kāi)始時(shí)，汽車(chē)模型涉及被動(dòng)阻尼，具有恒定或雙速率特性。在此基礎(chǔ)上，我們還研究了懸架阻尼系數(shù)選取的汽車(chē)模型，從而使系統(tǒng)近似模擬了具有天鉤阻尼的主動(dòng)懸架系統(tǒng)的性能。對(duì)于半主動(dòng)或無(wú)源雙速率阻尼器的模型，等效懸架阻尼系數(shù)的值是關(guān)于車(chē)輪子系統(tǒng)的簧載質(zhì)量相對(duì)速度的函數(shù)。因此，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方程是強(qiáng)非線性的。對(duì)于這些模型，首先采用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)獲得由具有隨機(jī)剖面的道路產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)的第二個(gè)力矩特征。該信息在車(chē)輛性能指標(biāo)的定義下得到了進(jìn)一步的應(yīng)用，該指標(biāo)對(duì)最重要的懸架參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了具有代表性的數(shù)值結(jié)果。特別關(guān)注道路質(zhì)量的影響以及與車(chē)輪跳動(dòng)有關(guān)的檢查效果。最后，對(duì)被動(dòng)線性懸架阻尼器和半主動(dòng)減振器汽車(chē)所得到的結(jié)果進(jìn)行了臨界比較。
關(guān)鍵詞:四分車(chē)模型，雙速率阻尼器，天鉤阻尼，輪跳，隨機(jī)優(yōu)化。
1. 介紹
在汽車(chē)工業(yè)的許多領(lǐng)域，通常采用單自由度或雙自由度四分之一汽車(chē)模型。這些ar-eas包括對(duì)地面車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)、識(shí)別、優(yōu)化和控制的預(yù)測(cè)(如Karnopp等，19741 Harrison和Hammond, 19861 Sharp和Has-san, 19861 Hrovat, 19931 Dixon, 19961 Metallidis etal .， 2003)。這主要是由于四分之一車(chē)型的簡(jiǎn)單和他們提供的質(zhì)量上正確的信息，特別是在騎車(chē)和搬運(yùn)研究方面。此外，從這些簡(jiǎn)單的mod-els中提取的信息，為更詳盡、準(zhǔn)確和全面的研究提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更多的涉及到動(dòng)力汽車(chē)模型(Verros et al.， 2000a)。
本研究的主要目的是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用一種系統(tǒng)的方法-ogy，使地面車(chē)輛的懸架阻尼和剛度參數(shù)在隨機(jī)道路激勵(lì)下的最佳組合。以往對(duì)該課題的研究大多涉及具有線性特征的汽車(chē)模型或受確定性道路激勵(lì)作用的力學(xué)模型。此外，很少注意揭示和研究與車(chē)輪跳躍現(xiàn)象有關(guān)的重要影響，主要是由于其數(shù)學(xué)建模的固有困難(Palkovics和Venhovens, 19921 Verros和Natsiavas, 2001)。
目前的工作結(jié)合最近的發(fā)展，涉及到對(duì)非線性四分之一車(chē)型的響應(yīng)和優(yōu)化，受到道路激勵(lì)。在粒子-lar中，研究的模型包括具有強(qiáng)烈非線性阻尼和剛度特性的懸浮液，并允許車(chē)輪跳躍。此外，道路的不規(guī)則性被假定為random的性質(zhì)，它們被頻率光譜描述，這被認(rèn)為是典型的汽車(chē)工程(Dodds和Robson, 19731 Gillespie, 1992)。然后將此激勵(lì)應(yīng)用于具有線性或雙線性減震器和線性或三線性懸架彈簧的雙自由度四分之一汽車(chē)模型。具體來(lái)說(shuō)，除了線性模型外，還研究了帶有被動(dòng)或半主動(dòng)懸架阻尼器的汽車(chē)系統(tǒng)。在最后一種情況下，根據(jù)懸架阻尼系數(shù)的選擇，應(yīng)用控制策略，使車(chē)輛接近理想狀態(tài)的天鉤。在阻尼或剛度系數(shù)可變的情況下，分析變得復(fù)雜，因?yàn)楫a(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)方程涉及強(qiáng)非線性。類(lèi)似的非線性也被引入到線性模型中，當(dāng)車(chē)輪跳躍被包括在公式中(例如Verros和Natsiavas, 2001)。
在選擇了道路激發(fā)譜后，利用蒙特卡羅模擬法對(duì)所研究的非線性車(chē)輛模型進(jìn)行了概率分析。隨機(jī)道路輪廓的樣本函數(shù)是利用光譜抑制方法生成的，然后通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的積分(Shinozuka, 1972)計(jì)算出車(chē)輛對(duì)每個(gè)樣本道路輪廓的響應(yīng)。最后，利用所得到的樣本車(chē)輛響應(yīng)時(shí)間歷史來(lái)估計(jì)響應(yīng)的特征。這些特性反過(guò)來(lái)又形成了一個(gè)基礎(chǔ)，這對(duì)于開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算上合適和高效的優(yōu)化過(guò)程是必要的。
本論文的材料組織如下。在下一節(jié)中，我們介紹了被動(dòng)和半主動(dòng)的四分之一汽車(chē)模型。在第3節(jié)中，我們提出了一種計(jì)算非直線車(chē)輛模型的二階矩特性的方法，該模型受已知光譜的隨機(jī)道路輪廓的影響。該信息用于第4節(jié)，定義車(chē)輛性能指標(biāo)，包括車(chē)輛行駛舒適性、車(chē)輛處理和懸掛的工作空間。然后，建立了基于該性能指標(biāo)的懸架阻尼和剛度參數(shù)的最優(yōu)值選擇方法。在第5節(jié)中，給出了一些典型的數(shù)值結(jié)果，并通過(guò)應(yīng)用該方法得到了一些數(shù)值結(jié)果。重點(diǎn)是對(duì)線性、雙線性和天車(chē)模型的結(jié)果進(jìn)行關(guān)鍵的比較。最后，總結(jié)了工作的重點(diǎn)。
圖1所示.車(chē)輛模型:(a)線性模型，(b)分段線性模型，(c)天鉤模型。
2. 力學(xué)模型
本研究中研究的車(chē)輛系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖1所示。它們被稱為四分之一車(chē)型，由于它們的簡(jiǎn)單性和質(zhì)量上的正確信息，它們被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工程中，至少在最初的設(shè)計(jì)階段(Hrovat, 1993年)。在所有情況下，坐標(biāo)x1和x2分別表示車(chē)輪子系統(tǒng)和車(chē)身的絕對(duì)垂直位移。
首先，對(duì)于圖1(a)的線性模型，運(yùn)動(dòng)方程可以很容易地放入經(jīng)典矩陣形式。
其中x1t2 - 5 1x1 x22t表示響應(yīng)向量，而數(shù)量
表示質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣，以及系統(tǒng)的剛度矩陣。此外，矢量f 1t2包括由于道路粗糙度而產(chǎn)生的強(qiáng)迫項(xiàng)。特別地，車(chē)輛被假定為以一個(gè)恒定的水平速度40在道路上的一個(gè)側(cè)面圖s1z2。在這里，這個(gè)配置文件由一個(gè)隨機(jī)過(guò)程表示，它具有統(tǒng)計(jì)分布，這與典型的道路概況(Dodds和Robson, 1973)的測(cè)量是一致的。因此，強(qiáng)迫向量是以形式表示的。
其中xg 1t2, s140t2。
圖2.(a)懸浮阻尼器的受力特性。(b)恢復(fù)彈簧的力。(c)天鉤模型的等效懸架阻尼系數(shù)。
圖1(b)和圖1(a)中所示的模型的主要區(qū)別是，前者遵循一種常用的被動(dòng)控制策略，即懸架阻尼系數(shù)c2在兩個(gè)不同的值之間轉(zhuǎn)換的值。更具體地說(shuō)，對(duì)于這個(gè)模型，車(chē)身和車(chē)輪之間形成的阻尼力具有這種形式。
其中x4 5 x42 6 x41。這意味著懸架阻尼系數(shù)取決于簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之間相對(duì)速度的符號(hào)，如圖2(a)所示。換句話說(shuō)，它在壓縮時(shí)的值與擴(kuò)展值不同(例如，沃爾瑪公司，19901 Surace et al.， 1992)。此外，懸架彈簧也可能具有分段線性特性。一般情況下，典型的汽車(chē)懸架的恢復(fù)力具有非線性特性，可以通過(guò)折疊表達(dá)得到足夠的精度。
其中x5 x2 6 x1，而xc和xe表示被暫停的間隙(參見(jiàn)圖2(b))。最后，圖1(c)所示的力學(xué)模型被稱為理想的“天鉤”模型，并在傳統(tǒng)懸架模型(Verros et al.， 2000b)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，該模型還包括了一個(gè)帶阻尼系數(shù)的阻尼器阻尼器，它比輪胎的等效阻尼系數(shù)c1要大得多。在最簡(jiǎn)單的形式中，該模型具有線性特征。然而，由于不可能實(shí)現(xiàn)這類(lèi)懸架，必須采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，修改其特性。根?jù)前人對(duì)這一課題的研究，采用以下控制力對(duì)天鉤模型的行為進(jìn)行了研究。
在系統(tǒng)的兩個(gè)質(zhì)量之間。這意味著，為了對(duì)車(chē)輛進(jìn)行主動(dòng)控制，需要對(duì)懸架阻尼系數(shù)值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，比如c92，基于對(duì)x41、x42和x4g的量的測(cè)量。
在實(shí)際操作中，最經(jīng)濟(jì)、最容易實(shí)現(xiàn)的策略是基于半主動(dòng)控制邏輯，采用雙開(kāi)關(guān)阻尼器。更具體地說(shuō)，從c21和c22選取適當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)值的公式中選擇等效的懸掛阻尼系數(shù)(見(jiàn)圖2(c))。
在被動(dòng)雙線性或半主動(dòng)控制策略的應(yīng)用后產(chǎn)生的動(dòng)力系統(tǒng)是強(qiáng)非線性的，因?yàn)閼壹茏枘嵯禂?shù)的值在某些點(diǎn)上發(fā)生變化。此外，即使對(duì)于具有線性特性的系統(tǒng)，當(dāng)允許車(chē)輪單獨(dú)分離和起飛時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)。這一現(xiàn)象被稱為“車(chē)輪跳躍”(wheel hop in the literature)，它對(duì)車(chē)輛的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了巨大的變化(Verros和Natsiavas, 2001)。為了將這種可能性納入到力學(xué)模型中，首先引入了運(yùn)動(dòng)學(xué)變量。
然后，如果X1 5 0，輪子與地面沒(méi)有接觸，當(dāng)接觸力在車(chē)輪與地面之間產(chǎn)生接觸力的時(shí)間間隔內(nèi)，失去接觸，等于零(Leine et al.， 2000)。最后，運(yùn)動(dòng)方程的相應(yīng)修正是，在輪作階段，k1、c1和強(qiáng)制函數(shù)f 1t2等于零。
3. 隨機(jī)路面情況下的響應(yīng)特性。
一般來(lái)說(shuō)，典型的道路是存在著大量的孤立的不規(guī)則現(xiàn)象，例如坑坑洼洼或凸起，它們被疊加在較小的但連續(xù)分布的剖面上。為了本研究的目的，我們只考慮后一種類(lèi)型的道路。也就是說(shuō)，本節(jié)討論的是在前一節(jié)給出的車(chē)輛模型的二階矩響應(yīng)特性的估計(jì)。這些隨機(jī)域是實(shí)值的，零均值，平穩(wěn)，高斯分布。因此，對(duì)于他們的完整的統(tǒng)計(jì)描述，足以指定他們的二階矩。在這里，這一要求是通過(guò)假設(shè)道路不規(guī)則有一個(gè)已知的單面功率譜密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如Sg 192，其中9 5 2是一個(gè)空間頻率，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)具有波長(zhǎng)的諧波規(guī)律性。根據(jù)之前對(duì)該主題的許多調(diào)查(例如，Dodds和Robson, 1973)，典型道路的幾何輪廓非常精確地符合以下簡(jiǎn)單的分析形式。
用對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)刻度表示的直線。用這種方法，兩種不同道路斷面的粗糙度的振幅比與各自的Ag值的平方根比成正比。此外，在公式(5)中選擇指數(shù)的值為n 5 2時(shí)，通常是相當(dāng)準(zhǔn)確和分析方便的，這也就意味著道路坡度具有類(lèi)似于白噪聲信號(hào)的特征。
定性地說(shuō)，在方程(5)中，指數(shù)n的一個(gè)很大的值強(qiáng)調(diào)了較長(zhǎng)的波長(zhǎng)的粗糙度，而它抑制了較短的波長(zhǎng)的粗糙度。由于這一原因，人們普遍認(rèn)為，與典型道路的幾何輪廓相對(duì)應(yīng)的光譜，可以通過(guò)如下的更復(fù)雜的函數(shù)來(lái)近似。
其中，9051,2是一個(gè)參考空間頻率。此外，價(jià)值Sg1902提供了一種衡量道路粗糙度的措施。在這里，指數(shù)被選擇了，因此n1 5n2和結(jié)果譜在一個(gè)對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)尺度上顯示了一個(gè)斜率不連續(xù)的9 590。最后，由于Sg 192的值趨近于9 0，所以路譜被高通濾波器濾波。
對(duì)于具有線性特性的車(chē)輛模型的特殊情況，對(duì)道路輪廓譜密度和車(chē)輛速度的知識(shí)通過(guò)眾所周知的公式(Lutes和Sarkani, 1997)對(duì)固定車(chē)輛響應(yīng)的譜密度進(jìn)行評(píng)估
在前面的方程中，5 940是時(shí)間頻率，Sx x 1 2和Sgg 1 2表示。
響應(yīng)和強(qiáng)迫的譜密度矩陣分別為，H - 1 2，包括系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，而上標(biāo)T，分別表示轉(zhuǎn)位和共軛(如:Roberts和Spanos, 1990)。通過(guò)對(duì)這些響應(yīng)的功率譜密度函數(shù)的積分，可以很容易地得到各種響應(yīng)量的正極矩特征。然而，在前一節(jié)中提出的所有車(chē)輛模型，除了沒(méi)有車(chē)輪跳躍的線性模型外，都具有包含強(qiáng)非線性的運(yùn)動(dòng)方程。在這種情況下，頻域分析不再有效，而對(duì)二階矩響應(yīng)特性的分析公式是不可用的。對(duì)于這種情況，使用蒙特卡羅模擬法評(píng)估響應(yīng)的概率特征，并結(jié)合早期為分段線性系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的合適的集成方法(例如Natsiavas, 19931 Verros等，2000b)。
特別地，對(duì)于非線性車(chē)輛模型，道路輪廓的樣本是使用光譜表示方法生成的(Shinozuka, 19721 Shinozuka和Deodatis, 1991)。更具體地說(shuō)，如果假設(shè)車(chē)輛在給定的道路上以恒定的水平速度行駛40英里，那么由于道路的不規(guī)范而產(chǎn)生的強(qiáng)迫行為可以通過(guò)下面的系列來(lái)模擬。
在前一個(gè)方程中，從所選的道路光譜中對(duì)激勵(lì)諧波的振幅進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中，952l和L是考慮的路段長(zhǎng)度。此外，還確定了基本的時(shí)間頻率0的值。
而階段n被視為隨機(jī)變量，在區(qū)間內(nèi)的均勻分布[03 2 2。然后，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程的積分，計(jì)算出車(chē)輛對(duì)各樣本道路輪廓的響應(yīng)。最后，利用樣本響應(yīng)估計(jì)了響應(yīng)的二階矩特征。幾百個(gè)樣本通常足以獲得對(duì)反應(yīng)第二時(shí)刻的適當(dāng)估計(jì)。
上述選擇基激發(fā)歷史的方法需要了解道路輪廓的功率譜密度和車(chē)輛速度的水平分量。圖3(a)顯示了兩組道路的光譜，這是在第五部分中進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算的例子。更具體地說(shuō)，較低的曲線代表了高質(zhì)量的道路(n1 5 2, n2 5 175和Sg 1902 5 16 1066 m2 cycle61 m61)，而上曲線代表的是質(zhì)量差的道路(Sg 1902 5256 1066 m2 cycle61 m61)，根據(jù)ISO 2631標(biāo)準(zhǔn)。圖3(b)展示了兩種典型道路概況的具體形式，一種屬于高質(zhì)量群體，另一種屬于壞質(zhì)量集團(tuán)。
在本研究的第一部分，提出了一種系統(tǒng)的方法，給出了在隨機(jī)變化的幾何剖面上移動(dòng)的四分之一汽車(chē)模型的懸掛阻尼和剛度參數(shù)的最優(yōu)值。摘要研究了被動(dòng)線性和雙速率懸架阻尼器模型，以及半主動(dòng)天鉤阻尼模型。應(yīng)用的控制策略，結(jié)合對(duì)車(chē)輪跳躍的考慮，導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)方程中出現(xiàn)了強(qiáng)非線性。這反過(guò)來(lái)又在應(yīng)用程序的集成和優(yōu)化過(guò)程中造成了困難，這是通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)克服的。在工作的第二部分，給出了數(shù)值計(jì)算結(jié)果，主要是對(duì)典型的四分之一汽車(chē)模型的懸架參數(shù)的優(yōu)化選擇，以及在適當(dāng)定義的性能指標(biāo)中權(quán)重因子的不同組合。注意力還集中在調(diào)查與道路概況質(zhì)量有關(guān)的影響方面。在這種情況下，特別強(qiáng)調(diào)了在懸浮彈簧中對(duì)車(chē)輪跳或非線性的影響，發(fā)現(xiàn)它被激活并對(duì)低質(zhì)量的道路造成嚴(yán)重的后果。通過(guò)檢查所研究的模型的動(dòng)力學(xué)，也獲得了對(duì)優(yōu)化結(jié)果中觀察到的最重要趨勢(shì)的一些有用的見(jiàn)解。最后，在對(duì)所檢測(cè)的所有病例的信息進(jìn)行批判性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：半主動(dòng)控制的車(chē)輛比被動(dòng)雙速率阻尼器更好地設(shè)計(jì)了汽車(chē)模型，從而比具有線性懸架阻尼器的模型表現(xiàn)出更好的性能。
附錄2：外文原文
致 謝
在完成本次論文的過(guò)程中，遇到不少的問(wèn)題，通過(guò)老師和同學(xué)的幫助都一一解決了。非常感謝老師的耐心指導(dǎo)并提出了不少很有幫助的意見(jiàn)，還有同學(xué)的各種幫助，順利的完成了本次論文。
通過(guò)本次論文學(xué)到了不少的知識(shí)，本次論文雖然完成了，但仍有許多問(wèn)題，仍有許多我需要學(xué)習(xí)的地方，希望老師能夠多多指正。