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第一章绪论
1.1前言
摩托车作为一种代步工具,目前全世界已有70多个国家和地区生产摩托车,90%以上的产量分布在亚洲和欧洲10多个国家和地区,主要有中国、中国台湾省、印度、日本、印尼、泰国、意大利、法国、西班牙、马来西亚、韩国等。
年产量达百万辆以上的国家和地区有中国、中国台湾省、印度、日本、印尼、泰国、意大利等。
90年代以来,部分发展中国家经济蓬勃发展,促进了摩托车生产和需求的持续增长,全世界摩托车的年产量由1990年的1145万辆增加到1997年的2335万辆,平均年增长率10.71%。
世界摩托车行业在上世纪90年代经历了飞速的发展,整个摩托车行业获得了新生。
进入21世纪后,世界摩托车行业进入了后增长时期,在今后几年摩托车行业将进入结构调整期,但是发展前景依然乐观。
根据美国一家工业研究所Freedonia集团公司的最新研究,世界摩托车需求正以每年5.2%的速度增长,到2009年将达到5000万辆,总价值840亿美元。
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我国摩托车行业自新中国成立以来,其发展历程大体可分为三个时期:
(一)起步发展时期。
从新中国建立到70年代末这一时期,我国摩托车工业从无到有,生产发展缓慢,厂家少,产量小,品种少,水平低,没有规模生产能力。
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(二)蓬勃发展时期。
摩托车产量从1980年的4.9万辆增加到1991年的131万辆,增长近26倍,到1991年全国摩托车工业总产值达70多亿元。
中国摩托车工业已初步形成了生产规模,摩托车行业作为汽车工业的一部分已不再无足轻重,并充分显示出其强劲的发展势头。
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(三)高速发展时期。
1991-1995年,摩托车产量年增长速度超过50%,1997摩托车总产量达到1003万辆,全球2000多万辆摩托车市场中国占了将近一半,中国已成为世界摩托车行业的领导者。
从1993年到1999年我国摩托车产量连续七年占世界之首,成为世界瞩目的摩托车产量第一大国。
随着中国经济持续迅猛的发展,中国已经成长为全球最大的摩托车市场。
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时,摩托车行业也是我国目前国际化特征最为明显的行业之一。
我国在加入WTO后,WTO正式成员的各种有利条件更有助于我国摩托车企业走向海外。
2002年我国摩托车出口量达到了344万辆,仅次于日本,位居世界第二。
近年来,我国摩托车凭借低价优势,迅速进军国际市场,已经覆盖了全球150多个国家和地区目前我国摩托车行业产值己占到我国GDP的1%。
因此,近年来,摩托车行业已经日益受到政府的重视,国家产业政策也把摩托车与汽车一同列为国家支柱产业给予重点关注和支持。
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经过50多年的发展,摩托车已成为我国使用最普遍的交通工具之一。
但摩托车在行驶过程中,由于路面不平等因素,容易激起车身的振动,影响乘骑人员的乘坐舒适性和车辆的行驶稳定性。
摩托车减震器是保证摩托车行驶平顺性、安全性,减小车辆部件疲劳损坏的重要部件。
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摩托车减震器按其安装位置的不同可分为前减震器和后减震器两大类。
前减震器是连接前轮与车身之间的一切装置的总称,按其结构特性,可分为套筒式前叉减震器和下拉杆式减震器两大类,目前,摩托车前减震器的形式以套筒式为主。
后减震器则按阻尼器的构造形式可分为单筒减震器和双筒减震器等,由于双筒减震器可使减震液在任何时候都能充满工作缸,保证了阻尼器的正常工作,因此目前摩托车上所用的后减震器主要是双筒减震器。
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近年来,随着摩托车品种的不断更新,人们对车辆的行驶平顺性和乘骑舒适性也提出了更高的要求。
发动机排量及摩托车自身质量的加大,也对摩托车减震器的设计要求越来越高。
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传统的摩托车减震器设计方法主要是凭借设计人员的经验确定设计参数,然后通过反复的试验进行参数修正。
通常采用将结构参数不同的减震器装备于欲匹配的摩托车,由试车员进行实车试验评价,这种方式往往需对减震器内部结构参数进行反复调整和多次的开发、试验,不但设计周期长、资金消耗大,而且较难获得最优的减震器特性。
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随着计算机技术的发展,建立基于减震器结构参数的数学模型,采用计算机模拟的方法,可以精确地计算和模拟出各结构参数对减震器外特性的影响。
这种方式减少了减震器样机试制及实车试验的费用并缩短了开发周期,目前已成为减震器设计开发的主要方式。
其基本过程是:
基于减震器的结构建立数学模型,并经计算机模拟分析得到其动态特性,将此特性用于车辆系统动力学和振动仿真分析计算,并采用相关指标评价摩托车操纵稳定性和乘骑舒适性、平顺性等性能,在此基础上对减震器的结构参数进行优化设计。
该过程的核心问题是在设计阶段准确预测减震器的特性,关键是建立基于减震器实际结构、流体性质参数的分析模型,并进行减震器内部工作特性的数值模拟和优化设计。
因此,利用计算机对减震器动态特性进行模拟分析对于减震器的设计开发以及车辆系统动力学和振动仿真分析具有非常重要的意义。
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1.2减震器数学模型的研究现状
从20世纪70年代开始,国外学者就已经开展了对减震器工作特性的模拟析和研究。
70年代后期,Lang建立了某双筒式悬架减震器的模型,该模型共包含83个参数,用于研究减震器高频特性畸变问题。
他采用简化的汽化和液化模型描述工作腔室内混入气体发生的物理变化,采用模拟电路实现减震器特性的仿真。
Lang的模型及其开展的模拟分析工作代表了70年代减震器建模和仿真分析技术的水平,但该模型的进一步完善还需要解决两方面的问题:
节流阀附件流场的精确分布以及在工作腔室之间的气体流动模型。
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80年代末期,Karadayi和Masada认为Lang的模型虽然能较好地表达减震器的非线性特性,但过于复杂,不宜用于车辆系统动力学和振动仿真分析。
为了建立一种既能表达减震器迟滞特性又较为简明的模型,他们采用了将减震器等效化为由弹性元件、阻尼元件、间隙及摩擦元件等组合而成的力学模型。
模型中不考虑减震器的实际结构和内部工作过程,元件的力学特性既可以是线性的也可以是非线性的,其组合系统能够表达出减震器的非线性动态特性。
Karadayi的建模方法为建立减震器少参数模型探索了一条有效的途径,但作为试探性的工作,其模型仿真结果仅在减震器的低频运动工况下能够与实验结果较好的吻合。
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90年代初期,剑桥大学的Besinger和Cole等人将这种建模方法应用于重型车辆悬架减震器的建模,并采用了非线性的弹性和阻尼元件,建立了7参数模型,该模型虽然含有较少的参数,但是能比较准确地描述减震器的性能,其模型仿真结果在活塞运动频率小于lHz、速度小于1m/s的范围内与实验测试结果吻合较好。
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1.3本文研究的主要内容
1.3.1本文研究内容
1、示功特性的研究
示功特性是指减震器阻尼力—位移(F-S)之间的关系,它表示减震在压缩和复原两个行程中阻尼变化的特性.
2、阻尼特性的研究
阻尼特性是指减震器的阻力与缸筒相对活塞杆的运动速度(F-V)之间的关系特性,它反映了减震器阻尼力随着振动速度变化的规律。
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重点内容为:
学习ABAQUS有限元分析软件,用ABAQUS建立实体模型,进行模态分析,得出它的特性曲线,建立后筒式减震器数学模型等。
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1.3.2本文研究意义
建立基于摩托车减震器结构参数的正确的数学模型,并通过计算机模拟分析各因素对减震器性能的影响程度,这对于改进减震器的结构设计,提高减震器的质量,缩短减震器设计开发周期以及节约开发成本是很有意义的。
同时,由于汽车减震器与摩托车减震器结构相似,因此,建立摩托车减震器阻尼特性的数学模型,研究摩托车减震器的动力特性,不仅对摩托车减震器行业,而且对汽车减震器行业都很有意义,.建立的模型和仿真结果对汽车、摩托车悬架的设计都具有指导意义。
ABAQUS软件是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。
ABAQUS包括一个丰富的可模拟任意几何形状的单元库。
并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。
作为通用的模拟工具,ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析及压电介质分析。
因此,使用ABAQUS进行分析,也就有了一定的现实意义。
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第二章摩托车减震器示功特性分析
2.1液压减震器的机构及工作原理
图2-1为125型摩托车前轮液压减震器结构原理图。
该结构为内置弹簧式,在滑柱内腔装有一活塞杆,滑柱内腔被活塞隔开的左右两部分通过活塞杆的内孔和导流孔连通。
活塞杆通过螺钉与外筒固连,杆上开有两个阻尼小孔。
滑柱受压时,弹簧1被压缩,提供缓冲阻力,B腔容积减小,腔内空气受到压缩,腔内液压油通过导流孔进入活塞杆内腔。
同时A腔容积增大,形成局部真空,通过两阻尼孔吸油,产生压缩阻力;
复原时,在弹簧1的回复力作用下,A腔容积减小,腔内油压增加,只能通过阻尼孔和配合缝隙排出腔外,形成复原阻力。
阻尼力将振动能量转化为热能,减小车轮振动传给车身的振幅和能量,提高行驶的平稳性和舒适性。
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图2-1125型摩托车前轮液压减震器结构原理图
2.2系统组成
图2-2是减震器示功图计算机检测系统的组成框图。
机械部分由调速电机驱动,通过皮带降速将运动传给曲柄滑块机构产生往复直线运动。
由于曲柄滑块机构在运动时存在曲柄旋转时的离心惯性力和滑块周期性的往复惯性力,因此,一方面在曲柄轮上加平衡配重,另一方面用大皮带轮兼作飞轮,储存能量,增加整个转动件的惯性矩,减小转矩波动和惯性力的影响。
试验台采用框架结构,力传感器装在上部,试验时与减震器的活塞杆相连,用来检测阻力的大小。
飞轮一端与编码器相连,检测速度和位移。
单片机测试仪接受计算机的指令对力传感器和编码器的输出进行采样,将力和速度值在数码管上显示,并通过RS232串口将采集的数据送给计算机,由计算机经过计算和处理在屏幕上绘出示功图和速度特性图,并通过打印机打印出检测报告。
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图2-2计算机检测系统
2.3建立模型
2.3.1摩托车减震器的动力学模型
把道路不平假定为按正弦曲线的变化形式,并且只考虑垂直方向的运动,这样就可以简化模型,MJ试验台通过提供简谐运动模拟实际路况。
MJ的动力学模型可简化为一个单自由度的二阶受迫振动,即:
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