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學(xué) 院
專業(yè)
學(xué)生姓名
（教）學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
職稱
合作導(dǎo)師
職稱
論文題目
某車油氣彈簧前懸架設(shè)計(jì)
一、課題研究的背景和意義（綜述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，闡述課題的研究目的、意義）
研究背景及意義
汽車懸架是指汽車的車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間一切傳力連接裝置的總稱。車輛懸架除了應(yīng)保證車輪的精確導(dǎo)向、轉(zhuǎn)向之外，還要能隔離路面噪聲，避免車輪滾動(dòng)產(chǎn)生的噪聲傳到車身。由于車輪接地點(diǎn)處的力（力矩）都是通過車輛懸架傳遞到車身的，無論汽車處于何種狀態(tài)（起步、行駛、上下坡道、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等），懸架都起著極為重要的作用（支撐車身、抑制車身的垂直振動(dòng)、俯仰及傾側(cè)等），其性能的優(yōu)劣直接關(guān)聯(lián)著汽車的平順性、穩(wěn)定性甚至是行車安全。所以在任何車輛中，懸架都是汽車底盤非常重要的部件之一。
汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性對(duì)車輛懸架的要求是沖突的、相互矛盾的。要提高行駛平順性，車輛懸架必須匹配“軟”的彈簧和小阻尼的減震器，但是這
樣懸架動(dòng)行程會(huì)增加，抗俯仰和傾側(cè)的能力降低，會(huì)極大影響操縱穩(wěn)定性；而想
要提高操縱穩(wěn)定性，就得使用“硬”彈簧及與之相匹配的大阻尼減震器來限制車
身姿態(tài)的變化，這又會(huì)使車身振動(dòng)加劇，影響乘坐的舒適感。因此只有綜合考慮這兩個(gè)矛盾的因素，才能提高汽車懸架的整體性能。
本文主要進(jìn)彈簧車用油氣彈簧的設(shè)計(jì)與分析的研究。油氣彈（Hydro-
Pneumatic Spring）是油氣懸架的核心部件，是利用氣體的壓縮來儲(chǔ)存能量的彈性元件，是在膜式空氣彈簧的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。它采用金屬容器作為氣室，以惰性的氮?dú)庾鳛閺椥栽?，并在活塞和氣體之間有油液作為中間介質(zhì)。它擁有車輛所需理想的非線性彈性特性、良好的減振性能和比較完善的調(diào)節(jié)功能，通過油氣彈簧的設(shè)計(jì)可以滿足汽車所需的非線性彈性特性、減振性能，提高乘坐的舒適性。
油氣懸架不僅能夠滿足汽車行駛的平順性和操縱性，而且可以通過調(diào)節(jié)車身高度提高汽車的道路通過性，另外相較于其他新型懸架，油氣懸架的性價(jià)比更高。在國(guó)內(nèi)，油氣懸架還處于研究階段，但在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家使用主動(dòng)油氣懸架作為車輛懸架系統(tǒng)已經(jīng)初步得到了實(shí)際應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)引進(jìn)油氣懸架的時(shí)間較晚（20 世紀(jì) 90 年代），自主研發(fā)的產(chǎn)品性能與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，還存在較大差距，不管是油氣懸架的設(shè)計(jì)階段還是應(yīng)用過程，都未形成系統(tǒng)的知識(shí)技術(shù)鏈，因此對(duì)油氣懸架系統(tǒng)的研究以及完善其在應(yīng)用方面的技術(shù)很有必要。
經(jīng)過廣泛的市場(chǎng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)民用市場(chǎng)對(duì)油氣彈簧的需求量很大，需求量遠(yuǎn)大于供應(yīng)量。很多企業(yè)和科研院所都對(duì)其產(chǎn)生了濃厚的興趣，但由于國(guó)外對(duì)核心技術(shù)的封鎖，國(guó)內(nèi)在自主研發(fā)方面的整體實(shí)力還比較薄弱，使得目前沒有真正意義上的高質(zhì)量成熟產(chǎn)品能夠批量供貨，同時(shí)昂貴的價(jià)格也使大多企業(yè)“望而卻步”，此外，國(guó)外企業(yè)不斷進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，希望在中國(guó)市場(chǎng)占有一席之地，使得市場(chǎng)蘊(yùn)涵著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為了保護(hù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不被國(guó)外企業(yè)占據(jù)，對(duì)油氣彈簧的工作性能進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，并研制出性能優(yōu)越、價(jià)格合理的產(chǎn)品是當(dāng)前的首要任務(wù)，在此基礎(chǔ)上，保護(hù)領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，創(chuàng)造民族品牌，加快我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展速度，增強(qiáng)自主研發(fā)實(shí)力。
國(guó)外研究現(xiàn)狀
當(dāng)前國(guó)外專家學(xué)者對(duì)油氣懸架的研究主要集中在個(gè)方面：
1. 建立新型合理的油氣懸架的數(shù)學(xué)模型。主要的研究思路是把具有非線性特性的彈性元件如懸架油缸和對(duì)非線性的影響因素如油液、高壓空氣的壓縮膨脹、非線性阻尼、剛度特性納入到數(shù)學(xué)模型中，使得理論懸架系統(tǒng)符合實(shí)際，成為非線性系統(tǒng)。目前建立油氣懸架的數(shù)學(xué)模型方法可以分為參數(shù)化和非參數(shù)化，因?yàn)閰?shù)化模型能比較好的描述系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)，而且每個(gè)參數(shù)又有非常明確的物理意義，有益于油氣懸架非線性特性的研究，相對(duì)于非參數(shù)化設(shè)計(jì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。兩者均有其局限性，國(guó)外學(xué)者試圖結(jié)合參數(shù)化和非參數(shù)化兩種建模方式實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣懸架數(shù)學(xué)模型的建模工作。
2. 新型結(jié)構(gòu)形式的油氣懸架的開發(fā)和主動(dòng)控制策略的研究。新型結(jié)構(gòu)形式的油氣懸架的開發(fā)，主要是對(duì)半主動(dòng)和主動(dòng)油氣懸架的開發(fā)應(yīng)用。利用油氣懸架變阻尼相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，調(diào)節(jié)阻尼實(shí)現(xiàn)懸架的半主動(dòng)和主動(dòng)控制。半主動(dòng)控制的原理主要是控制單元對(duì)各類傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，再通過調(diào)節(jié)阻尼閥口大小，改變油缸和蓄能器之間的阻尼力，實(shí)現(xiàn)懸架輸出力半主動(dòng)控制。主動(dòng)懸架則需要另加動(dòng)力元件如液壓油泵等，油液通過伺服閥再進(jìn)入液壓缸，實(shí)時(shí)控制懸架輸出力。
國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代，油氣彈簧引起了國(guó)內(nèi)研宄人員的關(guān)注意。進(jìn)入到年代，國(guó)內(nèi)的一些大型國(guó)有企業(yè)引進(jìn)了裝有油氣彈簧的車輛，這一事件翻開了國(guó)內(nèi)油氣彈黌研究高潮的第一頁，隨后，國(guó)內(nèi)的高等院校也加入了科研隊(duì)伍。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究主要包括如下幾個(gè)方面：
1. 基本的設(shè)計(jì)理論研宄?；谲囕v的類型、性能、參數(shù)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(yīng)力、應(yīng)變特性及阻尼、剛度等特性的研究，得出油氣彈黃的工作特性的變化規(guī)律，為我國(guó)自主研發(fā)提供重要的科研資料。
2. 油氣彈簧特性仿真及相關(guān)軟件開發(fā)的研宄。國(guó)內(nèi)研究人員在該方面進(jìn)行了大量的研宄工作，主要對(duì)油氣彈簧的工作特性進(jìn)行仿真模型建立及定性分析，應(yīng)用相關(guān)軟件進(jìn)行仿真，如：中的模塊、編程軟件，經(jīng)過科研工作人員的不懈努力，在該方面取得了突出的成績(jī)，并且在各大高校的相關(guān)科研工作也開展的如火如荼，如：吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、山東理工大學(xué)等。
3. 特定車型才需使用的油氣彈賛研究。該方面目前還處于研究階段，主要是利用軟件完成油氣彈簧機(jī)械模型的建立，并納入液壓系統(tǒng)，完成油氣彈簧的特性分析。
4. 油氣彈簧的新型結(jié)構(gòu)形式的研發(fā)。如圖1所示為某種剛度可控的油氣彈簧模型，在結(jié)構(gòu)上它擁有兩個(gè)儲(chǔ)氣室，工作時(shí)根據(jù)采集的汽車和油氣彈簧的相關(guān)信號(hào)，控制幵關(guān)閥的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)剛度隨車身狀態(tài)的變化而變化的功能。
5. 利用對(duì)油氣彈簧進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)反求油氣彈黌的參數(shù)。通過試驗(yàn)的手段得出最能真實(shí)、準(zhǔn)確反映油氣彈簧特性的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)反求，目前，國(guó)內(nèi)主要對(duì)節(jié)流閥參數(shù)進(jìn)行反求。
圖 1
二、課題研究已有的工作基礎(chǔ)，附證書、報(bào)告、文獻(xiàn)翻譯（總結(jié)歸納本人的學(xué)習(xí)、科研、實(shí)習(xí)等成果，以及已掌握的前人資料，簡(jiǎn)述自己初步的學(xué)術(shù)見解）
查閱了許多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，也大致了解了油氣彈簧的結(jié)構(gòu)，工作原理，特征及分類，對(duì)于我自己而言，在設(shè)計(jì)一個(gè)油氣彈簧時(shí)，困難點(diǎn)應(yīng)該在于其數(shù)學(xué)模型的建立，這個(gè)要求我去掌握有關(guān)液壓傳動(dòng)方面的知識(shí)，雖然大三選修課學(xué)習(xí)過，但也只是點(diǎn)皮毛，要應(yīng)用到具體的設(shè)計(jì)上，還是得去借鑒其他文獻(xiàn)中的方法及過程。油氣彈簧相較于其他被動(dòng)彈簧，最大的特點(diǎn)在于其非線性的剛度及阻尼特性，而其特性又和它的結(jié)構(gòu)參數(shù)息息相關(guān)，因此，本次油氣彈簧的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)將油氣彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定好，再進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，最后進(jìn)行特性仿真。
三、研究的內(nèi)容及可行性分析
主要研究?jī)?nèi)容
1. 在查閱關(guān)于油氣彈簧的國(guó)內(nèi)外研究資料的基礎(chǔ)上，介紹油氣彈簧的工作原理、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用領(lǐng)域。
2. 完成油氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選定。推導(dǎo)節(jié)流閥片的數(shù)學(xué)模型，利用該模型設(shè)計(jì)合理的節(jié)流閥片厚度，并設(shè)計(jì)合理的缸體、連接體、閥系的結(jié)構(gòu)形式，選取合理的密封圈和導(dǎo)向?qū)挾取?
3. 基于所建立的油氣彈簧數(shù)學(xué)模型完成油氣彈簧工作特性的仿真分析（剛度特性，阻尼特性，總輸出力特性）。
4. 建立四分之一車輛模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。
可行性分析
1. 客觀條件：關(guān)于油氣彈簧的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)做出了大量的研究工作，通過在中國(guó)知網(wǎng)上的檢索，收集了大量的有關(guān)油氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化的論文，對(duì)我的課題工作有了極大的借鑒意義。而且本學(xué)期的工作主要就是這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，故時(shí)間上也十分充裕。并且還有吳海東老師和司振立學(xué)長(zhǎng)的幫助。另外，學(xué)院實(shí)驗(yàn)室里也有許多油氣彈簧的實(shí)物，可以讓我更加具體切實(shí)的觀察和掌握油氣彈簧的結(jié)構(gòu)和工作原理。
2. 主觀條件：通過查閱其他學(xué)者的工作，我大概掌握了設(shè)計(jì)油氣彈簧的基本步驟及所需的基本知識(shí)，還有所需掌握的軟件技術(shù)（CATIA和MATLAB等）。這些在我前幾年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活中都有所接觸，并不陌生。關(guān)于油氣彈簧的基本認(rèn)識(shí)也已掌握(其結(jié)構(gòu)，特征，原理，分類，發(fā)展歷史等)。目前對(duì)我來說，最大的難點(diǎn)在于對(duì)其數(shù)學(xué)模型的建立，這項(xiàng)工作需要有關(guān)工程熱力學(xué)和流體力學(xué)的知識(shí)，而這兩門學(xué)科的知識(shí)我雖已學(xué)習(xí)過，但距今相隔較遠(yuǎn)，所以有所遺忘，難免生疏，學(xué)習(xí)時(shí)有些吃力，但好在有其他論文對(duì)于這項(xiàng)建模工作的詳細(xì)論述，讓我可以借鑒學(xué)習(xí)，減輕了我的負(fù)擔(dān)。
四、論文擬解決的關(guān)鍵問題及難點(diǎn)
關(guān)鍵問題
1. 確定油氣彈簧的基本參數(shù)，完成關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如節(jié)流閥系設(shè)計(jì)、連接體的設(shè)計(jì)、導(dǎo)向?qū)挾鹊脑O(shè)計(jì)、密封元件的選取等。
2. 根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程、節(jié)流縫隙兩端壓差與流量關(guān)系及油氣彈簧的工作參數(shù)，建立油氣彈簧的數(shù)學(xué)模型。
3. 基于所建立的模型完成油氣彈簧工作特性的仿真分析，根據(jù)結(jié)果總結(jié)每個(gè)參數(shù)對(duì)工作特性的影響規(guī)律。
4. 建立四分之一車輛模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。
五、研究方法與技術(shù)路線(重點(diǎn)論述技術(shù)方案)
技術(shù)路線
查閱文獻(xiàn)資料
了解，工作原理，特征，分類發(fā)展歷史等
確定總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各部分參數(shù)
上、下連接體，外缸體，活塞桿，浮動(dòng)活塞，活塞，節(jié)流閥系，導(dǎo)向蓋等
建立油氣彈簧理論數(shù)學(xué)模型
利用已建的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其特性進(jìn)行仿真
彈性力模型
阻尼力模型
總輸出力模型
剛度特性
阻尼特性
總輸出力特性
利用已得到的彈簧特性，建立四分之一車輛模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析
六、論文的進(jìn)度安排
進(jìn)度安排
1.第七學(xué)期：完成文獻(xiàn)翻譯、文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告的撰寫；
2.第八學(xué)期第1-2周：進(jìn)行參觀實(shí)習(xí)，參數(shù)計(jì)算、建模仿真；
3.第八學(xué)期第3-4周：方案設(shè)計(jì)、草圖繪制；
4.第八學(xué)期第5-11周：完成機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成CATIA三維模型的建立、CAD圖紙的繪制、電算說明書撰寫；
5.第八學(xué)期第12-13周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書撰寫；
6.第八學(xué)期第14周：論文評(píng)審、查重和答辯。
七、畢業(yè)設(shè)計(jì)研制報(bào)告或畢業(yè)論文撰寫提綱（初步）
初步提綱
第一章--緒論
第二章--油氣彈簧總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第三章--單氣室油氣彈簧理論模型建立
第四章--油氣彈簧的特性仿真分析
第五章--四分之一車輛模型動(dòng)力學(xué)分析
八、主要參考文獻(xiàn)
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九、指導(dǎo)教師意見
簽名： 20 年 月 日
十、開題審查小組意見
（要求具體意見，對(duì)前7項(xiàng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)論：通過，不通過）
開題審查小組組長(zhǎng)簽名： 20 年 月 日