主動智能減振輪

主動智能減振輪

關(guān)鍵詞：車輛減振

簡介：

　針對現(xiàn)有車輛減振均采用在車橋和車身之間設(shè)置懸架減振器來實(shí)現(xiàn)車輛減振而無法保護(hù)車橋/轉(zhuǎn)向橋的問題，提出了在車輛輪輻上設(shè)計(jì)彈簧減振系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)保護(hù)車橋/轉(zhuǎn)向橋在內(nèi)的減振系統(tǒng)，具備主動減振調(diào)整功能，與懸掛減振系統(tǒng)配合使用，進(jìn)一步提高行車舒適性和安全性。為運(yùn)輸易爆、易碎物品的運(yùn)輸車，運(yùn)送危重病人的急救車等特殊車輛，以及越野車、汽車、摩托車、電動自行車和自行車等普通乘用車輛的進(jìn)一步減振奠定了研究基礎(chǔ)。

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詳細(xì)介紹：

研究的目的及意義

汽車最初期的形態(tài)起源于十八世紀(jì)的歐洲，而真正的現(xiàn)代汽車則起源于十九世紀(jì)中后期，即德國工程師制造出以汽油發(fā)動機(jī)為動力的車輛，標(biāo)志著現(xiàn)代汽車的誕生?，F(xiàn)代汽車早期的形式主要是將發(fā)動機(jī)代替馬提供動力，因此早期現(xiàn)代汽車的外觀同馬車非常相似，例如1886 年德國人 Benz Karl 研制的第一輛汽車是發(fā)動機(jī)為單缸809W（1.1 馬力），最高車速約 13～16km/h 的三輪車[1]。由于當(dāng)時(shí)人們普遍使用的車輪是剛性結(jié)構(gòu)的車輪，其操控性非常差而且行駛速度也比較慢，舒適性不佳，于是人們在 1894 年開始采用橡膠充氣輪胎，由于這種新型輪胎的彈性變形作用，極大提高了乘坐的舒適性，行駛的車速也隨之提高，汽車的結(jié)構(gòu)從此發(fā)生了根本性的變化。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的高科技在汽車中得到應(yīng)用。雖然橡膠充氣輪胎在一定程度上可提高車輛的舒適性，但隨著汽車車速的不斷提高，為了減少汽車在高速行駛過程中路面激勵產(chǎn)生的顛簸感，以及路面顛簸和汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的車身側(cè)傾，人們設(shè)計(jì)研發(fā)了汽車懸架系統(tǒng)。 汽車懸架系統(tǒng)是車身與車橋之間所有傳力裝置的總稱。路面作用于車輪上的垂直反力（支承力）、縱向反力（牽引力和制動力）和側(cè)向反力以及這些力所產(chǎn)生的力矩都要通過懸架傳遞到車架（或承載式車身）。懸架的作用就是在傳遞這些力和力矩的同時(shí)，緩和不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊載荷，抑制車輪的不規(guī)則振動，提高車輛平順性（乘坐舒適性）和安全性（操縱穩(wěn)定性），減少動載荷引起的零部件和貨物損壞。因此懸架系統(tǒng)是影響汽車性能的關(guān)鍵部件，提高汽車總體性能有著非常重要的意義。 目前傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)被布置在車身與車橋之間，路面作用在車輪上的力仍會完全傳遞至車橋結(jié)構(gòu)上，工作載荷惡劣。在此背景下，針對由于路面激勵造成的車橋結(jié)構(gòu)振動損傷是車橋破壞的主要因素，通過機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出在車輪輻上增加減振裝置，設(shè)計(jì)一種變剛度減振車輪，并設(shè)計(jì)主動減振控制方式，實(shí)現(xiàn)車輪與車橋間的主動智能減振，緩和不平路面?zhèn)鹘o車橋的沖擊載荷，進(jìn)一步提高車輛的行駛舒適性和平穩(wěn)性，以及延長車橋結(jié)構(gòu)使用壽命，對汽車技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 針對在特定的道路狀態(tài)和速度下達(dá)到最優(yōu)減振效果，在乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性優(yōu)化折衷的前提下，提出了低成本的被動懸架減振器，其減振系數(shù)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后不能調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于中低檔轎車。在被動懸架性能的改進(jìn)研究上，研究者開展了大量的試驗(yàn)研究，通過建模仿真來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的懸架參數(shù)；研究漸變剛度彈簧和機(jī)械可變阻尼減振器適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同的工況；開展橫向穩(wěn)定桿的多連桿懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的研究，提高了被動減帶來的行車舒適性。然而這些研究無法改變被動減振適用路況受限的現(xiàn)狀。 針對被動懸架不能調(diào)節(jié)減振系數(shù)適應(yīng)路況受限的問題，提出了一種剛度可變的彈簧和阻尼系數(shù)可變的減振器組成的半主動懸架系統(tǒng)，隨著汽車工況的變化通過控制器對阻尼器進(jìn)行調(diào)整，以提高汽車平穩(wěn)性。半主動減振是目前汽車減振研究的熱點(diǎn)。半主動懸架大體可以分為剛度可變和阻尼可變兩種型式，如空氣彈簧和阻尼力可變減振器，其中阻尼可變又分為阻尼分級可變和阻尼連續(xù)可變兩類。 目前半主動懸架中改變彈簧剛度只有通過切換空氣彈簧或油氣彈簧來實(shí)現(xiàn)，用于高檔轎車，需配備動力源—空氣壓縮機(jī)等因素，使得比改變阻尼困難得多。為了減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的功率，半主動懸架研究主要集中在改變減振器的阻尼系數(shù)方面，以可變阻尼減振器為執(zhí)行器，設(shè)計(jì)合理的控制策略，使可變阻尼減振器產(chǎn)生的阻尼力能獨(dú)立地跟蹤力需求信號。國內(nèi)外在電流變液減振器和磁流變液減振器方面取得了較大的發(fā)展，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用置于減振器上方的步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動阻尼調(diào)節(jié)桿改變節(jié)流口面積,從而調(diào)節(jié)減振器的阻尼特性。PID方法是一種有效的控制策略，廣泛應(yīng)用于半主動減振[17-20]。已經(jīng)提出的多種半主動懸架的控制策略大都是建立在各自的前提條件之下，與實(shí)際的工況有不同程度的差異，各種方法均有利弊，采用某一種控制方式無法達(dá)到真正意義上的最優(yōu)，很難應(yīng)用于實(shí)車，因此半主動懸掛減振集中在汽車振動系統(tǒng)動力學(xué)模型的研究；可變阻尼減振器的動力學(xué)模型的研究；系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)等研究中。 針對被動懸架和半主動懸架的不足，國外研究者提出了主動懸架的概念，由傳感器和有源控制器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)車輛的運(yùn)動狀況和路面狀況主動做出反應(yīng)，來抑制車身的振動和擺動，該懸架無固定的剛度和無固定的阻尼系數(shù)，可隨道路條件的變化和行駛的不同要求而自動地改變彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)，使懸架始終處于最佳的減振狀態(tài)和行駛姿態(tài)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.4所示。由于主動減振需要高精度的液壓伺服裝置，成本高，加上其無彈簧結(jié)構(gòu)不能接受失效，因此主要應(yīng)用于賽車和高級轎車，仍然處于發(fā)展過程中。 綜上所述，無論被動、半主動還是主動懸掛減振，都是在車輪和車身間布置懸掛系統(tǒng)，對車身進(jìn)行減振保護(hù)，無法實(shí)現(xiàn)車橋結(jié)構(gòu)的振動抑制，更無車輪減振的控制系統(tǒng)，究其原因是車輪是汽車安全行駛的關(guān)鍵，由于其高速旋轉(zhuǎn)和結(jié)構(gòu)空間狹小等原因，現(xiàn)有的懸掛結(jié)構(gòu)難以直接應(yīng)用，除非有創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 因此，為了實(shí)現(xiàn)包括車橋在內(nèi)的汽車減振系統(tǒng)，提供更高的汽車行駛舒適性和安全性，本設(shè)計(jì)提出了在汽車車輪上設(shè)計(jì)主動智能減振系統(tǒng)，通過改變汽車輪輻剛度，即采用彈簧、阻尼和套筒機(jī)構(gòu)等組成的減振輪輻來替代現(xiàn)有的剛性輪輻，使輪輻具有減振功能，以有效吸收沖擊載荷；設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿的調(diào)控結(jié)構(gòu)，用電液控制技術(shù)對車輪的減振阻尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制，根據(jù)行車狀況和路況實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，從而進(jìn)一步提高車輛的舒適性，實(shí)現(xiàn)車輪的主動智能減振。 1.3主要研究內(nèi)容 現(xiàn)有的汽車減振方案均采用懸掛減振，僅能對車身進(jìn)行減振保護(hù)，然而車橋/轉(zhuǎn)向橋所受沖擊較大，損壞比較嚴(yán)重，本設(shè)計(jì)提出的主動智能減振輪。 創(chuàng)新性的在汽車車輪上設(shè)計(jì)減振調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)包括車橋在內(nèi)的減振系統(tǒng)，有效保護(hù)車橋、車身。通過設(shè)計(jì)減振系數(shù)調(diào)控機(jī)構(gòu)，通過采集操作者、汽車路況行駛信息，實(shí)現(xiàn)主動調(diào)控，在現(xiàn)有車輛懸掛減振的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高汽車行駛的平穩(wěn)性和舒適性。 本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容包括： （1）采用套筒分級固定彈簧的方式實(shí)現(xiàn)可變剛度的彈簧減振系統(tǒng)，用步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿的調(diào)控結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈簧減振系統(tǒng)剛度的分級調(diào)整，設(shè)計(jì)了主動智能減振輪； （2）采用大型有限軟件ANSYS對輪輻減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，； （3）采用STM32控制芯片設(shè)計(jì)主動控制系統(tǒng)采集車輛行車參數(shù)，并根據(jù)行車參數(shù)設(shè)置減振車輪的主動分級調(diào)整策略； （4）采用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS對不同剛度和不同沖擊載荷下減振輪的減振性能進(jìn)行分析，并對設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了臺架測試試驗(yàn)。

第2章 主動智能減振輪的方案設(shè)計(jì)

2.1車輛減振的需求分析 汽車平穩(wěn)性和舒適性主要通過減振完成，現(xiàn)有的減振系統(tǒng)都是依托懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減振。常用的車輛懸架系統(tǒng)均為被動減振，一般由桿、筒、彈簧和阻尼器等構(gòu)件組成，難以適應(yīng)路況變化。隨著人們生活水平的提高，對汽車的平穩(wěn)性和舒適性的要求越來越高。為了取得良好的舒適性，需要大大緩沖汽車的振動，這樣彈簧就要設(shè)計(jì)得軟些，但彈簧軟了卻容易使汽車發(fā)生剎車“點(diǎn)頭”、加速“抬頭”以及嚴(yán)重側(cè)傾偏向，不利于汽車的轉(zhuǎn)向，容易導(dǎo)致汽車操縱不穩(wěn)定等。懸架減振系統(tǒng)只能夠保護(hù)車輛懸架以上的車身部分，而車輛底盤則直接受到來自路面的沖擊，造成車橋/轉(zhuǎn)向橋等部件易疲勞損傷。 針對現(xiàn)有減振的不足，設(shè)計(jì)了主動智能減振車輪。它以彈簧和阻尼組成的減振輪輻作為基本減振器件，以凸輪、蝸輪蝸桿、齒輪等作為減振調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，配合電子控制模塊，共同組成可根據(jù)車輛的行車狀況對減振輪減振系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的主動智能減振車輪。此設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是靠車輪自身完成自適應(yīng)減振，再和懸架配合，以使車輛達(dá)到良好的舒適度。并能夠從振動根源處削弱振動，從而擴(kuò)大減振的保護(hù)范圍，提高車輛的使用壽命。 具備減振的車輪既可應(yīng)用于特種車輛，如運(yùn)輸易爆、易碎物品的運(yùn)輸車，運(yùn)送危重病人的急救車等，又可運(yùn)用到普通乘用車輛，如行車環(huán)境較差的越野車，追求舒適的高級轎車、電動輕型車輛等，同時(shí)也可以應(yīng)用于自行車、摩托車等需要減振的場所，其應(yīng)用前景廣闊。 2.2主動智能減振輪的工作原理 本項(xiàng)目是對車輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了主動智能減振輪，在普通車輪的輪輻上設(shè)計(jì)減振系統(tǒng)，讓車輪具備被動減振的功能；同時(shí)設(shè)計(jì)一套蝸輪蝸桿的動力傳動系統(tǒng)，用凸輪調(diào)節(jié)減振系統(tǒng)的減振參數(shù)，通過機(jī)電控制技術(shù)采集路況信息，根據(jù)行車狀況和路況做出適應(yīng)性反饋，設(shè)計(jì)一套控制策略，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳動系統(tǒng)，最終通過凸輪調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)減振系數(shù)隨路況變化的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高車輛的舒適性。 2.3主動智能減振輪的方案設(shè)計(jì) 本作品的設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)和電控部分的設(shè)計(jì)。 2.3.1減振輪機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 以普通車輪為主體，減振輪的結(jié)構(gòu)方案如圖2.1所示，主要由傳動機(jī)構(gòu)、凸輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減振輪輻等機(jī)構(gòu)組成。 　　　傳動機(jī)構(gòu)主要包括：齒輪組、蝸輪蝸桿及其支撐機(jī)構(gòu)，用于動力傳輸，通過蝸輪蝸桿的減速機(jī)構(gòu)增大驅(qū)動力矩，同時(shí)具備定位和自鎖功能。傳動機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)提供動力，通過傳動齒輪組將動力傳遞到蝸桿上，蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)力矩增大和行程控制，利用蝸輪蝸桿的自鎖功能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)行程的定位。 凸輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要包括：凸輪組、凸輪蓋、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)殼體、U形叉及其連接機(jī)構(gòu)。凸輪幾何中心與蝸輪中心一致，都是輪心點(diǎn)。U形叉螺紋口為輪輻減振系統(tǒng)安裝螺孔，由于凸輪與輪輻構(gòu)成一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)蝸輪發(fā)生轉(zhuǎn)動時(shí)帶動凸輪轉(zhuǎn)動，U形叉將帶動輪輻徑向移動，實(shí)現(xiàn)輪輻減振系統(tǒng)彈簧壓縮量的改變，從而改變減振輪的減振系數(shù)，以適應(yīng)路況。 減振輪輻主要包括：多級并聯(lián)彈簧組、內(nèi)套筒、外套筒等。彈簧采用不同長度的線性彈簧同心并聯(lián)組成的多級并聯(lián)彈簧組，改變U型叉的徑向位移調(diào)整多級并聯(lián)彈簧組的受力彈簧數(shù)量，實(shí)現(xiàn)彈簧組的勁度系數(shù)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)可變的減振彈簧。 本設(shè)計(jì)采用彈簧和套筒等組成的減振輪輻來代替車輪原有的剛性輪輻，使輪輻具有減振功能。這樣在振動傳向車體的路徑上增加了一級減振，減弱了路面?zhèn)鬟f給車輛的振動，從而提高車輛的舒適性。其中并且這些減振輪輻的彈簧長度可以由伺服電機(jī)驅(qū)動的凸輪組進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，以改變彈簧的壓縮量，進(jìn)而改變車輪的減振系數(shù)，使車輛在不同的路況下保持最佳減振性能。 2.3.2減振輪電控部分設(shè)計(jì) 電控部分的設(shè)計(jì)思路是：分布于車輛的幾組傳感器，如：振動加速度感器、行車加速度傳感器、速度傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器等，如圖2.4所示，采集行車狀況的信息，并將信息傳遞給電控單元（MCU）。考慮到行車速度的微分可得到行車加速度，因此行車加速度可以用行駛速度代替計(jì)算。電控單元（MCU）根據(jù)設(shè)定的運(yùn)算邏輯對收集來的信號進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)分析結(jié)果對伺服電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動指令，從而實(shí)現(xiàn)車輪減振系數(shù)對路面以及行車狀況的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。 2.3.3減振輪的主動控制策略 主動智能減振輪的減振功能在停車或者不滿足減振功能開啟條件的時(shí)候是禁止開啟的。此時(shí)，凸輪的最高點(diǎn)與滑塊接觸，減振輪輻的內(nèi)外套筒相互接觸，彈簧不能發(fā)生伸縮運(yùn)動。當(dāng)車輛啟動時(shí)，信號采集模塊開始采集車輛的速度、加速度、轉(zhuǎn)向、振動加速度等行車信息，并將這些信息傳遞給電控單元（MCU）。電控單元（MCU）根據(jù)預(yù)設(shè)的判斷條件以及運(yùn)算規(guī)律對車輛的行駛狀態(tài)及路面狀況進(jìn)行判斷與計(jì)算。當(dāng)車輛的行車狀態(tài)不滿足減振功能開啟條件時(shí)，車輪減振功能禁止開啟。當(dāng)車輛的行車狀態(tài)滿足減振功能開啟條件時(shí)，電控單元（MCU）計(jì)算彈簧在此狀態(tài)下的最適勁度系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。電控單元（MCU）根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)出對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動指令，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接受到來自電控單元（MCU）的驅(qū)動指令后轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，并帶動傳動齒輪轉(zhuǎn)動，傳動齒輪帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪帶動凸輪轉(zhuǎn)動，通過滾子帶動U型叉產(chǎn)生一定量的徑向位移，改變了減振輪輻彈簧的壓縮量，使其勁度系數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。當(dāng)車輛在受到來自路面的沖擊時(shí)，減振輪輻產(chǎn)生一定規(guī)律的伸縮運(yùn)動，吸收振動的能量，達(dá)到減振的功能。 2.4本章小結(jié) 在分析車輛現(xiàn)有的減振需求的基礎(chǔ)上，提出了在輪胎上設(shè)計(jì)智能主動減振輪的必要性；根據(jù)減振功能要求，提出用彈簧套筒組成多級并聯(lián)彈簧組的方案對輪輻進(jìn)行改進(jìn)的方案，并對主動智能減振輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)的方案進(jìn)行了介紹。

第三章 車輪強(qiáng)度校核及有限元分析 為了對作品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核，應(yīng)用CATIA、ANSYS等軟件進(jìn)行建模、仿真分析、強(qiáng)度校核。 3.1對車輪進(jìn)行強(qiáng)度校核 為了對車輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，首先利用CATIA建立車輪簡化模型，并將模型入ANSYS。然后對車輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對模型施加約束與載荷。最后對模型進(jìn)行求解，并查看后處理結(jié)果。 分析結(jié)果顯示： （1）輪轂與半軸接觸部位變形量最大為，對于輪轂來說此值很小其變形量在可接受范圍內(nèi)。 （2）輪輞正應(yīng)力變化范圍是-6.3e5pa至2.1e5pa，應(yīng)力值較小，滿足要求。 （3）等效彈性應(yīng)變值變化范圍是9.0e-10m至1.1e-5m之間，應(yīng)變值較小，滿足要求。 （4）剪切彈性應(yīng)變值變化范圍是-1.6e-6m至1.5e-6m之間，應(yīng)變值較小，滿足要求。 由以上分析可知：車輪變形及應(yīng)力較小，車輪強(qiáng)度足夠。 3.2對減振輪輻進(jìn)行強(qiáng)度校核 為了對減震輪輻進(jìn)行強(qiáng)度校核，按照建模、導(dǎo)入、施加約束與載荷、求解與后處理的步驟對減震輪輻的套筒進(jìn)行強(qiáng)度分析。 分析結(jié)果顯示： 內(nèi)套筒的最大應(yīng)力為72.9Mp，內(nèi)套筒選用45鋼作為材料，取安全系數(shù)為1.5，需用應(yīng)力為236.6 MPa，內(nèi)套筒的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，故設(shè)計(jì)安全。 3.3對凸輪進(jìn)行強(qiáng)度校核 為了對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的凸輪進(jìn)行強(qiáng)度校核，按照建模、導(dǎo)入、施加約束與載荷、求解與后處理的步驟對減震輪輻的套筒進(jìn)行強(qiáng)度分析。 分析結(jié)果顯示： （1）凸輪由外至中心變形量的變化范圍為112.3e-7—1.0e17m。最大變形量112.3e-7，處于可接受范圍內(nèi)。 （2）凸輪所受等效應(yīng)力最大值為3.1e7Pa，處于安全范圍內(nèi)。 （3）凸輪等效彈性應(yīng)變值在1.7e-6至1.6e-4之間，剛度符合要求。 綜上可知凸輪設(shè)計(jì)可滿足要求。 3.4本章小結(jié) 應(yīng)用CATIA、ANSYS等軟件，按照建模、仿真分析、強(qiáng)度校核的順序，對作品強(qiáng)度要求較高的零件及機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析及強(qiáng)度校核，確保車輪、減震輪輻、凸輪等的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

第4章 主動智能減振輪ADAMS仿真分析

 為了對車輪的減振效果進(jìn)行評估，利用ADAMS軟件，對作品進(jìn)行了仿真分析。 4.1減振輪的仿真建模 4.1.1 主動智能減振輪模型參數(shù) 主動智能減振輪模型參數(shù)如下： 　 （1）輪胎輪輞質(zhì)量：50Kg； 　　（2）簡化到轉(zhuǎn)向節(jié)的質(zhì)量400Kg（假設(shè)車輛為1.6噸，軸荷分配為1:1）； 　?。?/span>3）彈簧減振器的質(zhì)量忽略不計(jì)； 　?。?/span>4）輪胎剛度為：300N/mm； 　　（5）輪輻剛度為：292N/mm;阻尼為：10N/(mm/s)； 　?。?/span>6）路面沖擊載荷：500N（利用stpep函數(shù)模擬路面沖擊：STEP(time, 0 ,500 , 0.01 , 0 )）。 　?。?/span>7）路面正弦函數(shù)輸入：；f為路面輸入的頻率。 　　　 注：系統(tǒng)輸入通過作用在代表輪胎彈性的彈簧下端的啞物體（無質(zhì)量和尺寸，圖中黃色物塊）上的位移輸入來模擬。 4.1.2 ADAMS建模過程 ADAMS建模過程如下： 　?。?/span>1）在輪輻和輪心質(zhì)量塊之間建立6個(gè)均布的彈簧阻尼； 　?。?/span>2）在輪胎和地面之間建立彈簧模擬輪胎的彈性； 　?。?/span>3）在輪輻和輪心質(zhì)量之間建立固連輻，使輪心和輪輞可以鎖止或移動用來做比較試驗(yàn)； 　?。?/span>4）在輪胎模擬彈簧下端建立啞物體（便于施加振動輸入），并在啞物體上施加預(yù)定輸入。 首先在ADAMS中分別建立普通車輪與自適應(yīng)減震車輪的震動模型，然后對模型施加約束，然后給車輪施加一定規(guī)律的振動，最后求解車輪輪心處的振動響應(yīng)曲線。 4.2減振輪與普通車輪的減振對比仿真實(shí)驗(yàn) 　　為了驗(yàn)證減振車輪減振的有效性，首先對比車輪上有無減振阻尼器的對比效果，用stpe函數(shù)模擬10mm的路面沖擊，模擬函數(shù)為STEP(time, 0 ,10 , 0.01 , 0 )，　　 對比結(jié)果的輪心位移曲線，輪心的加速度曲線可知，增加了輪輻彈簧阻尼，能有效實(shí)現(xiàn)減振效果。 4.3不同沖擊載荷下的減振仿真實(shí)驗(yàn) 仿真實(shí)驗(yàn)均以正弦沖擊載荷進(jìn)行模擬，幅值為10mm，模擬不同頻率沖擊下的主動智能減振輪的減振效果實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別對10Hz、20Hz和50Hz下沖擊載荷進(jìn)行仿真分析。 隨著沖擊載荷頻率的增大，減振效果越好，證實(shí)了主動智能減振輪的彈簧阻尼減振的有效性。 4.4不同輪輻彈簧剛度下的減振仿真實(shí)驗(yàn) 　　主動智能減振輪的另一特性就是可以根據(jù)行車路況和駕駛員操作信息，采用主動減振調(diào)節(jié)的方式改變主動智能減振輪輪輻上彈簧阻尼的剛度，輪輻上的彈簧剛度是同過2個(gè)不同剛度系數(shù)的彈簧并聯(lián)，控制系統(tǒng)調(diào)整彈簧阻尼系統(tǒng)的變形即可改變其剛度，為了驗(yàn)證此主動減振調(diào)整方案的有效性，開展不同剛度下的減振仿真實(shí)驗(yàn)。 　　沖擊載荷為正弦信號，對比彈簧剛度在200、300、500 N/mm下的減振分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6.13所示，由圖可知系統(tǒng)穩(wěn)定后輪心的振動衰減到2mm的范圍內(nèi)，在彈簧剛度分別為200、300、500 N/mm，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間分別為1.2s、2s和3s，輪輻彈簧剛度會影響到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定地時(shí)間，即衰減振動的速度。且剛度越大，衰減時(shí)間越長，衰減越慢。 4.5本章小結(jié) 設(shè)計(jì)的主動智能減振輪比普通車輪的減振效果好，能較好的對不同頻率下的沖擊載荷進(jìn)行減振，并隨著沖擊載荷頻率的增大，減振效果越好；不同的彈簧剛度的減振效果不同，因此根據(jù)路況調(diào)整彈簧剛度的變化以改善行車舒適性具有可行性，如果配合使用變剛度的彈簧（非線性彈簧）和減振器（阻尼）將對減振效果有大幅度的提高。

 第5章 主動智能減振輪的臺架振動實(shí)驗(yàn)

 5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span> 為了進(jìn)一步驗(yàn)證項(xiàng)目設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性，并檢驗(yàn)自適應(yīng)減震車輪的減震效果，制作了制作了作品的第一代模型，并進(jìn)行了臺架實(shí)驗(yàn)。 5.2臺架實(shí)驗(yàn)的原理 一般認(rèn)為路面不平度的波長范圍0.1m-100m，幅值1mm-200mm，考慮車速一般路面譜頻率范圍0.1-30Hz，選擇10HZ為其工作頻率來模擬車輪減震的原理，并用傳感器檢測輪心處的振動響應(yīng)。通過輸入與輸出之間的對比來確定車輪的減震性能。 5.3臺架實(shí)驗(yàn)的設(shè)備 臺架實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要包括激振平臺、振動傳感器、采集卡、計(jì)算機(jī)、減震車輪模型等。 5.4實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)的步驟如下： 　　1、逐一檢查設(shè)備，確保其準(zhǔn)確可靠； 　　2、調(diào)整減震車輪模型的彈簧至相應(yīng)的位置； 　　3、將減震車輪模型固定于CRIMS SDS500電液伺服試驗(yàn)機(jī)夾持端； 　　4、對傳感器、采集卡、筆記本進(jìn)行電氣連接，并用開關(guān)電源進(jìn)行供電； 　　5、將傳感器的磁座固定于車輪的輪心處，并控制CRIMS SDS500電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行一定規(guī)律的振動； 　　6、筆記本顯示并記錄輪心出的振動響應(yīng)曲線； 　　7、將傳感器磁座固定于CRIMS SDS500電液伺服試驗(yàn)機(jī)夾持端，測量并記錄振動曲線； 　　8、試驗(yàn)結(jié)果處理與分析； 　　9、得出結(jié)論。 5.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)輸入頻率為10Hz，振幅為1.070mm時(shí)，輸入的振動加速度的最大值為-3—3每秒平方米，自適應(yīng)減震車輪模型輸出地振動加速度為-1.5—1.5每秒平方米。由此可預(yù)見自適應(yīng)減震車輪模型能夠大大減小車輛的震動。 第6章 結(jié)論 6.1結(jié)論 針對現(xiàn)有車輛減振均采用在車橋和車身上間設(shè)置懸架減振器的方式來實(shí)現(xiàn)車輛減振而無法保護(hù)車橋/轉(zhuǎn)向橋的問題，提出了在車輛輪輻上設(shè)計(jì)彈簧減振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)車橋/轉(zhuǎn)向橋在內(nèi)的減振系統(tǒng)；采用套筒分級固定彈簧的方式實(shí)現(xiàn)可變剛度的彈簧減振系統(tǒng)，用蝸輪蝸桿的調(diào)控結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彈簧減振系統(tǒng)剛度的分級調(diào)整，設(shè)計(jì)了主動智能減振輪，對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析；為提高車輛舒適性，采集車輛行車參數(shù)，設(shè)計(jì)了減振車輪的主動調(diào)整控制系統(tǒng)和策略；對主動智能減振輪進(jìn)行了減振實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了主動智能減振輪的減振性能，得出了以下結(jié)論： 　　（1）首次提出了在車輛輪輻上設(shè)計(jì)減振機(jī)構(gòu)，用套筒、彈簧、阻尼和凸輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、輪輞設(shè)計(jì)了主動智能減振輪，實(shí)現(xiàn)包括車橋/轉(zhuǎn)向橋的減振保護(hù)，通過ADAMS仿真和臺架試驗(yàn)驗(yàn)證了減振車輪的減振性能； 　　（2）采用套筒和分段不同剛度的彈簧，通過改變彈簧壓縮量設(shè)計(jì)了剛度可調(diào)的彈簧減振系統(tǒng)； 　　（3）采用凸輪轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了各輪輻彈簧阻尼減振系統(tǒng)伸縮量的調(diào)整機(jī)構(gòu)，并用蝸輪蝸桿和步進(jìn)電機(jī)的傳動方案實(shí)現(xiàn)了對凸輪轉(zhuǎn)盤進(jìn)行驅(qū)動調(diào)整； 　?。?/span>4）采用STM32F103VET6芯片構(gòu)建了主動智能減振輪的調(diào)整控制系統(tǒng)，以CAN總線通訊的方案獲取了行車車速、轉(zhuǎn)向角等參數(shù)，以振動加速度傳感器獲取車輛振動信息，通過建立主動智能減振輪的控制策略，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)主動智能減振輪的主動控制； 　　（5）采用分級調(diào)整的控制策略，以行車速度、轉(zhuǎn)向角和振動加速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)主動智能減振輪調(diào)整策略，并根據(jù)各參數(shù)的等級實(shí)現(xiàn)不同減振性能的調(diào)控； 　?。?/span>6）采用ADAMS對不同的彈簧減振系統(tǒng)的剛度和不同頻率的沖擊載荷進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明主動智能減振輪能有效對不同頻率的沖擊載荷進(jìn)行減振，頻率越高減振性能越好；不同的彈簧剛度的減振效果不同，為采用分段調(diào)整剛度的主動減振控制提供依據(jù)； 　　（7）對設(shè)計(jì)的自適應(yīng)減振論的樣機(jī)進(jìn)行了激振臺架試驗(yàn)，結(jié)果表明主動智能減振輪能有效實(shí)現(xiàn)減振。

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1、目的： 針對現(xiàn)有車輛減振均采用在車橋和車身之間設(shè)置懸架減振器的方式來實(shí)現(xiàn)車輛減振而無法保護(hù)車橋/轉(zhuǎn)向橋的問題，提出了在車輛輪輻上設(shè)計(jì)彈簧減振系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)保護(hù)車橋/轉(zhuǎn)向橋在內(nèi)的減振系統(tǒng)，具備主動減振調(diào)整功能，與懸掛減振系統(tǒng)配合使用，進(jìn)一步提高行車舒適性和安全性。 2、基本思路： 采用套筒分級固定彈簧的方式實(shí)現(xiàn)可變剛度的彈簧減振系統(tǒng)，用步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿及凸輪組成的調(diào)控結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彈簧減振系統(tǒng)剛度的分級調(diào)整，設(shè)計(jì)了主動智能減振輪，并對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析；采用STM32控制芯片設(shè)計(jì)了主動控制系統(tǒng)采集車輛行車參數(shù)，根據(jù)行車參數(shù)設(shè)置了減振車輪的主動分級調(diào)整策略；采用ADAMS對不同剛度和不同沖擊載荷下減振輪的減振性能進(jìn)行分析，并對設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了臺架測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明主動智能減振輪具有良好的減振性能，在不同彈簧剛度具備不同的減振性能，主動智能減振輪能有效對不同沖擊載荷實(shí)現(xiàn)減振。。 3、創(chuàng)新點(diǎn) （1）與現(xiàn)有的懸掛減振方式不同，首次在輪輻上設(shè)計(jì)減振機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車輛減振，實(shí)現(xiàn)路面工況自適應(yīng)減振； （2）采用機(jī)電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減震系數(shù)的智能調(diào)節(jié)。 4、技術(shù)關(guān)鍵： （1）設(shè)計(jì)科學(xué)的輻式減振機(jī)構(gòu)，使其受力合理，在行車過程中保持車輪的動平衡； （2）根據(jù)行車的傳感器信息和駕駛意圖，建立合理的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制模型。(收起)

科學(xué)性、先進(jìn)性

該作品與現(xiàn)有的車輪相比有以下特點(diǎn)： 1、在輪輻上引入了減振系統(tǒng)，從而增強(qiáng)了車輪的減振性能； 2、此種輪輻的減振狀態(tài)可根據(jù)行車狀況和路況自動調(diào)節(jié)； 3、車輪的減振狀態(tài)是由自適應(yīng)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制的。 4、車輪減振狀態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用凸輪機(jī)構(gòu)，原理簡單，真實(shí)可靠； 5、電控模塊的執(zhí)行器采用步進(jìn)電機(jī)，控制靈活； 6、步進(jìn)電機(jī)和凸輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單向調(diào)節(jié)，可大大減小步進(jìn)電機(jī)的工作量。

同類課題研究水平概述

車輛行駛平順性的優(yōu)劣直接關(guān)系到乘員的舒適性,并涉及汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮,影響到零部件的使用壽命,所以它是同類車在市場競爭爭取優(yōu)勢的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。而減震技術(shù)是確保車輛具有良好的行駛平順性和安全性的有效保障。為了使車架與車身的震動迅速衰減,改善汽車行駛的平順性和舒適性。 　　現(xiàn)有車輛一般采取在懸架系統(tǒng)上安裝減震器和安裝充氣輪胎兩種減震方式配合的方法減震。懸架減震效果較好，但是其減震保護(hù)范圍小，僅限于車輛懸架以上部分。輪胎可以從震動的根源來減小震動，但是輪胎減震存在減震作用不明顯的缺點(diǎn)。這樣處于車輪和懸架之間的底盤部分就處于較大的震動沖擊下，使得此處的零件容易損壞。 　　自適應(yīng)減震車輪采取在輪輻上安裝減震裝置的方式，既可大大提高車輪的減震效果，又可減弱路面沖擊對汽車底盤的破壞作用，從而提高車輛的舒適性和耐久性。