任务书+毕业论文-液压主动悬架试验台结构设计

毕业设计 (论文 ) 题 目： 主动悬架实验台结构设计 系： 机械工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 201002170203 指导教师： 2014 年 6 月 01 日 诚 信 声 明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书 题目： 液压主动悬架实验台结构设计 姓名 学院 机械工程学院 专业 班级 学号 指导老师 黄中华 职称 教授 教研室主任 陈小异 一、基本任务及要求： 本毕业设计课题拟设计一个液压主动悬架实验 台（模拟 1/4 车辆模型），为开展主动悬架的设计方法及控制策略研究提供实验平台。拟模拟的车辆重量为 ，路面扰动为正弦信号 r=其中 A 为 1w 为 0动悬架的执行机构为液压缸。液压系统的最大工作压力为 验台的整体尺寸限制在 3m 2m 主要任务有： 1. 主动悬架试验台总体方案选择与确定。 2. 主动悬架试验台机架设计。 3. 地面扰动模拟装置设计。 4. 主动悬架试验台底座设计。 二、进度安排及完成时间： 时间 内容安排 第 1明确设 计要求、 查阅相关文献资料 第 3周 毕业实习，建立对设计课题的感性认识 第 4 毕业设计 第 14撰写论文，整理设计资料 第 16周 论文答辩 摘要 悬架系统对于提高车辆平顺性和操纵稳定性，减少因振动引起的零部件损坏起着关键作用。近年来，车辆悬架及其控制系统的研究和开发是车辆动力学领域的国际性前沿课题。国内汽车市场迅速发展，随着汽车保有量的增加，带来的技术问题也越来越引起人们的注意，为安全行驶提供保障并提高汽车行驶舒适性是我们要解决的主要问题。 本设计 主要承担液压主动悬架实验台结构设计部分，包括对悬架实验台的整体设计，带轮设计，轴的设计和凸轮的设计。 第一章绪论主要介绍了国内外关于主动悬架的发展情况，本论文所涉及项目的背景来源和目的意义，以及本设计的总体方案设计。 第二章为带传动设计，涉及到带轮的尺寸和 第三章为轴的机构设计和轴承的选择，涉及到材料的选择和轴的尺寸设计及轴承的选择。 第四章为凸轮的结构设计，涉及到确定凸轮的轨迹，满足干扰的函数关系。 第五章为全文总结 关键词 ： 主动悬架 带传动 轴 凸轮 to by a In is an in of is of is to is we of of AM is at of of of as as of of of of of of of of AM to of a of 目录 第一章 绪论 . 1 车主动悬架的背景和发展 . 1 目背景来源和意义 . 2 案整体设计 . 4 面扰动模拟装置设计 . 4 动悬架试验台机架设计保证扰动信号的顺利传递 . 4 力的来源 . 4 的设计 . 4 轮的设计 . 4 第二章 带传动设计 . 6 轮传动概述 . 6 传动的计算 . 6 定带轮直径 1,. 6 定中心距 a 和带长 . 7 算主动带轮包角 . 7 定 v 带根数 z . 7 算单根 v 带初拉力 . 8 算对轴的压力 . 8 定带轮的结构尺寸，绘制带轮工作图 . 8 第三章 轴的结构设计 . 9 的类型选择 . 9 的材料选择 . 9 的结构设计 . 11 的最小直径估算 . 11 轴段的直径的确定 . 12 承的选择 . 14 动轴承的介绍 . 14 承类型和型号的选择的选择 . 14 轴承的受力分析 . 14 查阅轴承参数 . 15 算当量动负荷 . 15 计算轴承寿命 . 15 承的静强度计算 . 16 弯扭合成应力校核轴的强度 . 18 第四章 凸轮设计 . 22 轮机构的介绍 . 22 轮机构的选型和尺度设计 . 23 轮机构选型 . 23 定从动件的运动规律 . 24 算从动件的主要运动参数 . 24 定凸轮基圆直径 . 25 轮轮廓设计 . 25 轮副材料选择 . 26 轮和从动件的结构设计 . 27 轮的校核 . 27 轮副接触强度校核 . 27 核凸轮机构的压力角 . 29 第五章 结论 . 30 感谢 . 32 参考文献 . 33 1 1 第一章 绪论 车主动悬架的 背景和发展 自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据悬架质量的加速度，利用电控液压部件主动地控制汽车的振动。在这方面的研究，各大汽车制造公司均不遗余力 。典型的例子，早期有雪铁龙公司在 1955年发展的一种液压 以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制造工序太复杂，最终难以普及。到 90 年代，日产公司在无限 车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面的能力。 现时引人注意的是奔驰公司发展的 统，可算是相对先进的主动悬架系统代表。 是另辟蹊径，集中研究车身在行驶时的跳动。他们认为，从稳定 性考虑，通过抑制车身在行驶时的起伏、倾斜及跳动，可以最大限度地提高舒适性，而且更简单直接。对驾驶而言，采用刚性较大的螺旋弹簧，可以使汽车优越的操纵驾驶性得到保证。早在多年前，研究人员已经进行过这方面的验证。随着近年来 电子技术 及电脑控制在轿车上大量应用，这种新型主动悬架变为现实的条件越来越成熟。最新面世的系统采用了大量电子控制技术，奔驰公司称之为主动式 车身控制系统，简称 为了达到理想的效果， 动态调整的液压缸根据不同的路面情况自动调节螺旋弹簧座的位置，这一点很重要。当车轮遇到障碍物时， 统通过传感器感知，自动调节弹簧座，并在弹簧座上施加压力，使之能最大限度地抵消传递给车身的跳动能量。同样的方法， 速及转弯时产生的车身倾斜。当汽车制动或拐弯时的惯性引起弹簧变形，悬架传感器会检测出车身的倾斜度和横向加速度。微电脑根据传感器的信息，与预先设定的数值进 行比较计算，并立即确定在什么位置上将多大的负载加到悬架上，使车身的倾斜减到最小。几乎可以说，车身在任何状态下都能保持水平位置。 统的控制感应装置由两个微型处理器及 13 个传感器组成，每 10s 2 2 对悬架系统作一次扫描和调整。各传感器分别向微处理器传送车速、车轮制动压力、踏动油门踏板的速度、车身垂直方向的振幅及频率、转向盘角度及转向速度等数据。电脑不断接收这些数据并与预先设定的临界值进行比较。同时，电脑能独立控制每一个车轮上的执行元件，从而能在任何时候、任何车轮上产生符合要求的悬架运动以适应汽车的 每一种行驶状况。 仰、横摆、跳动和车身高度的控制都能更加迅速、精确，即使在路况较差的路面上，汽车的跳动也很小。而且汽车高速行驶和转弯的稳定性大大提高。车身的侧倾小，车轮外倾角度变化也小，轮胎就能较好地保持与地面垂直接触，使轮胎对地面的附着力提高，以充分发挥轮胎的驱动制动作用。此外汽车的载重量无论如何变化，汽车始终能保持一定的车身高度，所以悬架的几何关系也可以确保不变。 目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最新的 然价格不菲，但也赢得极佳的口碑，被 誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一个里程碑。 目背景来源和意义 随着人们生活水平的提高，人们对汽车的要求已经不仅停留在大空间、大排量上。众多的汽车驾乘人员更加关注车辆的操纵稳定性和驾驶平顺性。然而，不论是从非独立悬架到独立悬架，还是从扭力梁到多连杆，这种机械上的改变虽然从一定程度上提升了悬架系统的性能，但是终究不能避免此类悬架在设计中的固有缺陷。比如，小的弹簧刚度，虽然使得车身加速度减小，平顺性得到提升，但是同时导致了车身位移的增加，对操纵稳定性产生了不良的影响。如果增加弹簧刚度，操纵 稳定性可以得到明显的改善，但这种情况下车辆将对路面的不平度相当敏感，平顺性下降。另外，车辆和路面的各个参数在行驶中也在不断的发生改变。这种对操纵稳定性和平顺性的相互折中，必然会影响任何一个的性能。特别是被动悬架选用的减振器和弹簧结构简单，其结构参数无法随外界条件的变化而改变，阻碍了悬架性能的提高。 悬架系统在 现代汽车 上是重要的总成之一，悬架结构形式和性能参数的选择合理与 否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。而我们 3 3 知道汽车的操控性与舒适性是考量汽车性能的两个标准，而两者很难兼顾：柔软的悬架因为过滤了大量来自路面的冲击，能够增强乘坐舒适性，但操控性就要大打折扣；较硬的悬架使车辆操控性能提高，却会导致乘坐舒适性的下降。所以我们可以看到一般运动型汽车，它的悬架一般调教的比较硬，而舒适型的则反之。面对 鱼与熊掌不可兼得 ， “ 贪婪 ” 的 人类并不妥协，科技的发展解决了这个 “ 软硬 ” 问题。如果能够人为改变悬架的阻尼，让驾驶者可以根据自己的喜好设定悬架的特性，这对驾驶者来说无疑是个不小的诱惑。 我们来看看悬架的作用如何实现的吧！汽车车架如果直接安装于 车桥 或车轮上，由于道路不平，地面的冲击使人会感到十分不舒服，这是因为没有悬架装置的原因。 汽车悬架 是车架与车轴或车轮之间的弹性联结装置的统称。它的作用是弹性地连接车桥和车架，缓和行驶中车辆受到的冲击力。保证货物完好和人员舒适；衰减由于弹性系统引进的振动，使汽车行驶中保持稳定的姿势，改善操纵稳定性；同时悬架系统承担着传递各种力到车身上，以保证汽车行驶平顺；当车轮相对车架跳动时，特别在转向时，车轮运动轨迹要符合一定的要求，因此悬架还起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用。从上面的描述中，我们可以总结悬架的作用主要有两方面，一是乘坐时 的舒适性，二是驾驶时的操控性。 4 4 案整体设计 面扰动模拟装置设计 本毕业设计课题拟设计一个液压主动悬架实验台（模拟 1/4车辆模型），为开展主动悬架的设计方法及控制策略研究提供实验平台。拟模拟的车辆重量为 面扰动为正弦信号 r=其中 A 为 1w 为 0了实现干扰的正弦信号的实现，可以采用凸轮的轮廓设计满足设计要求，可通过凸轮的推程和回程来达到平台的上行和下行。 动悬架试验台机架设计保证扰动信号的顺 利传递 平台直接和凸轮直接相连接，平台可以直接沿轨道上下移动，同时在平台上方连接一个液压缸，在干扰型号经过电子信号的转换后，控制液压缸主动调整，即当平台受到凸轮力的作用上行的时候，通过信号转换，液压缸被控制上行，从而使液压缸上面的平台保持原来的状态不变，应用到汽车悬架上，即人坐在座位上感觉不到颠簸波动。 力的来源 本设计由电动机提供动力，由于扰动系数中的角速度很小，对应电动机的转速很小，所以在电动机上需加上一个变频器。过功率可以查表确定三相异步 电动机为 定功率为 速为 2825r/于设计中所需方案中的干扰信号的角速度过小，对应电动机的转速也小，因此需要在电动机上加上一个变频器。经过查询，可采用 频器 变频范围 30速最小可到零。 的设计 通过设计要求，四分之一车辆重量和功能关系计算出最小直径，然后根据凸轮所需尺寸和轴承的标准，带轮标准，和机械设计手册确定好轴颈，轴肩，轴套的选择。 轮的设计 由带轮传递动力，确定好带轮的尺寸和 材料，以及确定 整体示意图如下所示： 5 5 图 1 整体示意图 6 6 第二章 带传动设计 轮传动概述 带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动，也有靠带与带轮上的齿相互 啮合传动的同步带传动。 带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在 2%以下）；同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。 带传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。 传动的计算 择 v 带型号 由计算可得所需电机功率为 p=表可得工作情况系数 由式 = 0r 查图可得选择 带 定带轮直径 1,选取主动带轮直径 参考机械设计手册，选取主动带轮直径 88算带速 符合要求 确定从动带轮直径 dd dd i 12 查机械手册可取 1 2.1i . 验算实际带速 7 7 定中心距 a 和带长 280112(2)280112(可得 843000 取 50 由式 5 004/)1 122 80(2)2 801 12(5 0024)(2220212210 600算中心距 a 由式 742/00 确定中心距调整范围 由式 0)1 6 0 00 1 5(4 5 0)1 6 0 5(i a x 算主动带轮包角 由式 18060180 121 a 定 v 带根数 z 由 1210 查表得到单根 A 型 v 带的额定功率分别为 线性插值法求得单根额定功率 由式 z 00 查表可得 170 95.0 8 8 99.0z 取 合适 算单根 v 带初拉力 q=m 算对轴的压力 102422 10 定带轮的结构尺寸，绘制带轮工作图 图 2带轮 9 9 第三章 轴的结构设计 的类型选择 根据轴线的形状的不同，轴可分为直轴，曲轴和挠性钢丝软轴。曲轴主要作用与往返运动的机械中，常见的轴有 曲轴 、 直轴 和 软轴 三种。 直轴又可分为：转轴，工作时既承受弯矩又承受 扭矩 ，是机械中最常见的轴，如各种 减速器 中的轴等。 心轴 ，用来支承转动 零件 只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如 铁路车辆 的轴等，有些心轴则不转动，如支承 滑轮 的轴等。传动轴 ，主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如 起重机 移动机构中的长光轴、 汽车的驱动轴等。轴的材料主要采用碳素钢或 合金钢 ，也可采用 球墨铸铁 或 合金铸铁等。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。 根据本设计情况，采用直轴。 的材料选择 常用的轴类零件材料有 35、 45、 50 优质碳素钢，以 45 钢应用最为广泛。对于受载荷较小或不太重要的轴也可用 普通 碳素钢 。对于受力较大，轴向尺寸、重量受限制或者某些有特殊要求的可采用 合金钢 。如 40速较高的工作场合，该材料经 调质 处理后具有较好的综合力学性能；选用 65合金钢可用于精度较高，工作条件较差的情况，这些材料经调质和表面淬火后其耐磨性、耐疲劳强度性能都较好；若是在高速、重载条件下工作的轴类零件，选用 202020低碳钢或38些钢经渗碳淬火或渗氮处理后，不仅有很高的表面硬度，而且其心部强度也大大提高，因此具有良好的耐磨性、抗冲击韧性和耐疲劳强度的性能。 10 10 表 3 材料性能 由以上表格可选择 45 号钢，调质处理， 255 b=640 s=355 1 =27511 11 的结构设计 图 3 轴 的最小直径估算 由材料 力学可知：轴的扭转强度条件为 式中： 位是 指轴传递的转矩，单位为 指传递的功率，单位为 KW 位为 3 位为 查表可得。 由 此 可 推 得 实 心 圆 轴 的 最 小 直 径 位为 为 ： 33 6m i n 055.9 式中 C 为计算常数， C= 3 6 ,取决于轴的材料和受载情况，查表可得。 当轴段上开槽时，应适当增加直径以考虑槽对轴的强度的削弱： 00 时 ，单键槽增大 3 %，双键槽增加 7%； 00 时，单键槽增大 5%到 7%，双键槽 12 12 增大 10%到 15%。最后应对 由计算和查表可得最小直径取 34 轴段的直径的确定 与轴承配合的轴颈，其直径必须符合滚动轴承内径的标准系列。 标准直径系列如下： 10 12 14 16 18 20 22 25 26 28 30 32 34 36 38 40 42 45 48 50 53 56 60 63 67 71 75 80 85 90 95 100 根据最小直径和实际情况选择 100毫米内径。 轴上螺纹部分必须符合螺纹标准。 查询机械设计手册可选择公称直径为 70 轴肩（或轴环）尺寸的确定： 轴肩定位是轴上零部件最方便可靠的定位方法。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩，定位轴肩通常用于轴向力较大的场合，其高度可查表可得： 定位轴肩或轴环最小高度 角半径 r，零件孔端圆角半径 表 3 直径选择 直径 d 10183050802 .5 r 或 C 据表中数据选择 滚动轴承定位轴肩的高 度必须低于轴承内圈的高度，以方便拆卸轴承，具体尺寸可以查轴承标准或手册。非定位轴肩是为加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取 1到 2 与轴上传动零件配合的轴头直径，应尽可能圆整成标准直径系列或以 0,2， 5， 13 13 8结尾的尺寸。 非配合的轴身直径，可不取标准值，但一般应取成整数。 各轴段的长度 轴颈的长度通常与轴承的宽度相同，滚动轴承的宽度查相关手册 轴头的长度取决于与其配合的传动零件的宽度，若该零件需轴向固定，则应使轴头长度较零件宽度小 2 到 3便将零件沿轴向夹紧，保证其 固定的可靠性。 轴身长度的确定应考虑轴上各零件之间的相互位置关系和装拆工艺要求，各零件间的间距查机械设计手册。 轴环宽度一般取 b=（ d 或 b=圆整为整数。 具体轴的尺寸的确定 算轴的最小直径 （ 1）查表确定轴的 3m i 单键槽轴径应增大 5%到 7%，因此选择 35键的选择 （ 2）选 通平键，查设计手册选择 1628 键长选择 50 3）轴颈和轴肩的确定 轴颈应与轴承标准相配合，本设计选择轴承 6309，内径 45此轴颈尺寸为80度为 19于轴颈尺寸 80此 5，所以轴肩选择 120带为 3选择 5 4） 与凸轮配合轴的尺寸的确定 凸轮的基圆尺寸必须大于轴承的外径，否则会发 生干涉，无法实现预定运动。查找凸轮设计手册及结合实际选择尺寸为 110度为 67 滚动轴承与轴颈的配合 采用较紧的过盈配合，轴颈尺寸公差为 定倒角和圆角的尺寸 14 14 （ 5）倒角的确定 轴两端的倒角根据轴径手册取倒角为 0452 承的选择 动轴承的介绍 滚动轴承（ 将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少 摩擦损失 的一种精密的机械元件。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命；保持架能使滚动体均匀分布，防止滚动体脱落，引导滚动体旋转起润滑作用。 承类型和型号的选择的选择 由于机构不受轴向力作用，只受到径向力的载荷。可选择深沟球轴承，深 沟球适用于刚性较大的轴，常用于小功率电机，减速器，运输机等设备。根据题目要求，初选轴承型号 6309 轴承的受力分析 图 3 轴承受力分析 15 15 由于 1/4 汽车主动悬架为 300 吨，可知 500N。 查阅轴承参数 确定 6309 轴承的主要性能参数，查设计手册得： 323815算当量动负荷 2= 计算轴承寿命 荷系数 作温度/ 100000 轴承寿命的计算公式为 : h。 经过计算可得： 1 20 002 49 36 以此选择轴承 6309。 承的静强度计算 缓慢转动或摆动的轴承，接触应力为静应力或应力变化次数很少，失效形式为由静载荷或是冲击载荷引起的滚动体与内外圈滚道接触处的过大的塑形变形， 17 17 因此需要计算轴承的静强度。 4662定，使受载最大滚动体与滚道接触处产生的接触应力达到一定值的载荷称为基本额定静载荷，用 承样本中列有各种型号轴承的 设计时查用。 滚动轴承的静强度校核公式为： 式中 位为 N。 静强度安全系数 用条件 载荷条件 普通载荷 12 高精度旋转场合 击载荷 23 振动冲击场合 常旋转或摆动运动 普通载荷 通旋转精度场合 击及不均匀载荷 1许有变形量场合 量静负载 一个假想载荷。在当量静负载作用下，轴承内受载最大滚动体与滚道接触处的塑性变形总量，与实际载荷作用下的塑性变形总量相同。 对于角接触向心轴承和径向接触轴承，当量静负载去由以下两式求得的较大值 00 式中 18 18 当量静负荷 承类型 单列轴承 双列轴承 深沟球轴承 接触球轴承 15 25 40 该题目可知该轴承合适。 弯扭合成应力校核 轴的强度 轴的强度校核 圆周力 1112000d T=2000 3=向力 1 1tF =19 19 由于为凸轮，轴向力1 带传动作用在轴上的压力 Q= 图 3 受力分析 根据图进行计算 (N 20 20 由 10 8 NR 矩 )( 52 11 t 表 3 具体计算 校核 : 当扭转切应力为脉动循环应力时，取 =0.6 22 = 2 由机械设计教材 5 1 =60的抗弯截面系数 3542434 32 M P 载荷 水平面 垂直面 支反力 F H R NR （向下） NR (向上） 弯矩 M 1 2 总弯