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精密儀器

多極限工況下汽車懸架關(guān)鍵緊固件的設(shè)計(jì)優(yōu)化

德國人卡爾.本茨在1885年研制的第一輛汽車預(yù)示著汽車工業(yè)的開始,在隨后的130年的發(fā)展長河中,汽車已經(jīng)成為一種人們出行不可缺少的交通工具。目前汽車工業(yè)經(jīng)過一百多年的發(fā)展也已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平?,F(xiàn)在汽車工業(yè)的規(guī)模和其產(chǎn)品的質(zhì)量已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家機(jī)械水平的重要標(biāo)志之一。


如今汽車工業(yè)在中國正在如火如茶的發(fā)展,隨著中國自主品牌可以獨(dú)立自主的開展新車型的研究,自主品牌也越來越受到車主們的喜愛。但是中國品牌真正發(fā)展目前還處于前期,出于市場考慮,車企目前還是以逆向開發(fā)為主。汽車終究還是一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品,數(shù)千上萬的零件最終堆砌成一個(gè)完整的系統(tǒng),即使小到一顆緊固件的技術(shù)或者裝配參數(shù)的差異,也可能導(dǎo)致整體質(zhì)感的天壤之別。因此必須對汽車設(shè)計(jì)的自主性加以重視。

 

隨著全球汽車品牌的增多,車企要想在越來越激烈地國際競爭中脫穎而出,必須想方設(shè)法的提高自己產(chǎn)品的競爭實(shí)力。而緊固件這個(gè)廣泛應(yīng)用在汽車底盤中的小小零部件目前卻沒有得到車企的重視。


緊固件是用來連接一個(gè)或多個(gè)零件使之成為一個(gè)整體的機(jī)械零件,在車輛系統(tǒng)中處于舉足輕重的地位。一旦在車輛的高速行駛過程中關(guān)鍵緊固件出現(xiàn)斷裂或者崩潰,就會(huì)導(dǎo)致一系列機(jī)構(gòu)無法工作,車輛將會(huì)出現(xiàn)無法預(yù)計(jì)的后果。而且緊固件的作用不僅僅在于此,目前有眾多的車企因?yàn)椴蛔⒅鼐o固件的設(shè)計(jì)研究,其生產(chǎn)的車型中緊固件也不能保證它的可靠性,因此緊固件或者出現(xiàn)松動(dòng)或者出現(xiàn)斷裂,其車輛因此出現(xiàn)了各種小毛病,例如底盤前部在某種操作中出現(xiàn)異響,雖然對于消費(fèi)者來說都是小毛病,但是對于產(chǎn)品來講卻嚴(yán)重影響了其產(chǎn)品的可靠性能與安全性能。因此,在車輛設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該保證緊固件的性能。

 

汽車動(dòng)力學(xué)可以追溯到20世紀(jì)20年代,隨著汽車大量應(yīng)用出現(xiàn)了各種各樣的問題,人們開始研究汽車振動(dòng)問題,由此獨(dú)立懸架應(yīng)運(yùn)而生,在隨后的幾十年里隨著多剛體動(dòng)力學(xué)軟件的應(yīng)用,人們對車輛動(dòng)力學(xué)又有了進(jìn)一步的加深,此時(shí)先進(jìn)的控制理論與技術(shù)已完全應(yīng)用到汽車底盤中。


然而,雖然現(xiàn)在對底盤懸架的動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)還有前后懸架的底盤性能研究已經(jīng)非常詳細(xì),目前我國對緊固件這塊領(lǐng)域的研究還是非常稀少,大部分研究都是針對緊固件本身性能來研究的。緊固件由于在底盤中處于關(guān)鍵的作用,在設(shè)計(jì)中一絲一毫都不能疏忽,因此目前需要在車輛底盤緊固件設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行研究,開發(fā)一種有效的緊固件設(shè)計(jì)方法來保證車輛底盤緊固件的可靠性。

 

一、底盤緊固件概述


緊固件主要指的就是螺栓連接,螺栓連接在裝配時(shí)必須保證的是不松動(dòng),即擰緊,這樣連接在承受工作載荷之前就已經(jīng)承受了一定的作用力,即預(yù)緊力。預(yù)緊力對于螺栓來說作用很重要,不僅能夠保證被連接件不出現(xiàn)滑移,而且最重要的就是放松作用,提高了連接的可靠性。因此其緊固件處載荷的分析與提取十分重要。

 

在車輛復(fù)雜的底盤中,許多連接處的關(guān)鍵部位存在著緊固件,且每處的連接形式以及緊固件數(shù)量都各有不同,在車輛設(shè)計(jì)初期時(shí)就需要初步確定緊固件的強(qiáng)度,底盤零件工作環(huán)境惡劣,對于關(guān)鍵零件聯(lián)接緊固件的可靠性要求不是很高,所以多數(shù)聯(lián)接緊固件采用螺栓連接。

 

底盤關(guān)鍵緊固件包括下面5個(gè)系統(tǒng)中的螺栓連接,他們分別是:懸架系統(tǒng)、車輪系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)。下面對車輛底盤中的關(guān)鍵緊固件進(jìn)行詳述。

 

1) 懸架系統(tǒng)關(guān)鍵緊固件范圍:前懸下擺臂前點(diǎn)、后點(diǎn)、外點(diǎn)連接螺栓;前懸橫向穩(wěn)定桿襯套安裝點(diǎn)連接螺栓;前懸橫向穩(wěn)定桿拉桿上、下安裝點(diǎn)連接螺栓;前副車架前、后安裝點(diǎn);前懸掛與轉(zhuǎn)向節(jié)安裝點(diǎn);扭轉(zhuǎn)梁與車身安裝點(diǎn);后減震器與扭轉(zhuǎn)梁安裝點(diǎn)。

 

2) 車輪系統(tǒng)關(guān)鍵緊固件范圍:前輪轂與輪輞聯(lián)接點(diǎn)螺栓;前轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂連接點(diǎn)螺栓;后輪轂與輪輞連接點(diǎn)螺栓;扭轉(zhuǎn)梁與輪轂連接點(diǎn)螺栓。

 

3) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵緊固件范圍:轉(zhuǎn)向機(jī)安裝點(diǎn)螺栓。

 

4) 制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵緊固件范圍:轉(zhuǎn)向節(jié)與制動(dòng)卡鉗連接點(diǎn)螺栓。

 

5) 傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵緊固件范圍:傳動(dòng)軸中間支撐點(diǎn)螺栓。

 

如下圖所示,利用K&C試驗(yàn)臺(tái)模擬真實(shí)路況,利用傳感器分析出底盤緊固件處的載荷數(shù)值后進(jìn)行提取并分析。


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            汽車K&C試驗(yàn)臺(tái)

 

二、底牌緊固件處載荷分析


提取極限載荷是緊固件具體參數(shù)設(shè)計(jì)的第一步也是最重要的一步,所提取的載荷精度直接影響緊固件的設(shè)計(jì)結(jié)果。提取載荷過大,會(huì)使設(shè)計(jì)的緊固件尺寸參數(shù)偏大,會(huì)影響其他系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),增加了整車體積和質(zhì)量,使設(shè)計(jì)成本提高;提取載荷過小,無法滿足在極限工況下的使用要求,有連接失效的安全隱患。

 

目前極限載荷的提取通常有以下三種方法:

1)  靜力分析法一一力平衡、力矩平衡;底盤關(guān)鍵緊固件連接多是采用普通螺栓緊連接,靠螺栓預(yù)緊力壓緊被連件,使被連接之間產(chǎn)生摩擦力從而抵抗工作時(shí)的工作載荷。所以無論多復(fù)雜的連接形式通過靜立分析方法一平面力系或者空間力系的等效合成都可以簡化為以下四種受力狀態(tài):受橫向載荷作用的螺栓連接、受軸向載荷作用的螺栓連接、受轉(zhuǎn)矩作用的螺栓連接、受傾覆力矩作用的螺栓連接。分別計(jì)算出螺栓連接在這些簡單受力狀態(tài)下的工作載荷,然后經(jīng)過矢量合成,便得到螺栓連接的總載荷。一般情況下,對普通螺栓可以按軸向載荷和傾覆力矩確定螺栓的工作拉力;按橫向載荷和轉(zhuǎn)矩確定連接所需的預(yù)緊力。

 

2) 路譜分析法一路面激勵(lì)和載荷;路譜分析是建立在HEAD Recorder軟件上的一種實(shí)驗(yàn)分析方法。確定測試樣車后,輸入測試樣車輪胎,滿載前、后軸荷等相關(guān)參數(shù),在需要測試載荷的位置處安裝傳感器,通過數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)處理設(shè)備上,然后開始路試。輪胎受到不同路面激勵(lì),測試位置傳感器受到不同的載荷,通過數(shù)據(jù)線將傳感器信息傳到電腦上,由HEAD Recorder軟件生成路面激勵(lì)載荷曲線。通過比較分析,確定不同激勵(lì)下最大的載荷作為極限工況載荷。

 

3) CAE分析法-一ADAMS仿真;ADAMS仿真分析是目前載荷分析使用最多的方法,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,ADAMS仿真分析的便捷性和準(zhǔn)確性不斷得到提高,一般的分析步驟如下圖所示:


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一般緊固件分析流程


現(xiàn)在對三種方法進(jìn)行對比分析,利用靜力分析法是通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行緊固件處受力計(jì)算分析,但是由于要求的數(shù)值是相對于準(zhǔn)確的緊固件受力分析,而車輛懸架復(fù)雜多變,而且里面多數(shù)的襯套剛度以及減震器阻尼都是非線性的特性,這樣就給數(shù)學(xué)模型的計(jì)算帶來了非常多的問題,其求得的緊固件處的受力必然是不準(zhǔn)確的。

 

路譜分析法采用真實(shí)測量路面進(jìn)行激勵(lì),是求得的真實(shí)緊固件處受力最準(zhǔn)確的一種方法。但考慮到效率以及成本,首先路面建立過程復(fù)雜,耗費(fèi)的人力物力以及時(shí)間比較多,其次計(jì)算輸入的整車參數(shù)也比較多,且不容易獲得全部的仿真參數(shù)。

 

而CAE方法建立在靜力分析方法以及路譜分析方法之間,是目前比較廣泛運(yùn)用的一種方法,其主要的特點(diǎn)就是運(yùn)用常用軟件建模,比較方便。加載的工況為通用設(shè)置工況,容易控制。但是由于CAE方法建立的整車模型相對來說也是比較復(fù)雜,參數(shù)眾多,許多參數(shù)都是基于設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)定值,需要進(jìn)行方方面面的調(diào)試,而且在CAE中只能加載常用的幾種危險(xiǎn)工況,對于本文第二章所列舉的通用的十幾種危險(xiǎn)工況并不能全部囊括。因此目前的CAE方法還有所缺陷,是一種并不成熟的設(shè)計(jì)方法。在CAE分析的基礎(chǔ)上對一般緊固件分析流程方法進(jìn)行了改進(jìn)。具體流程如下圖所示:

 

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1) 驗(yàn)證前的輪胎受力計(jì)算。首先針對具體的車型,用車輛多極限工況四輪受力分析軟件計(jì)算車輛在十幾種危險(xiǎn)工況下的輪胎受力,同時(shí)建立相應(yīng)的整車模型來驗(yàn)證車輛多極限工況中數(shù)學(xué)模型取值的準(zhǔn)確性。這里的整車模型并不用于緊固件受力的提取,而僅僅是驗(yàn)證計(jì)算軟件的準(zhǔn)確性,在得到計(jì)算軟件的準(zhǔn)確性保證之后,針對相似的其他車型在進(jìn)行緊固件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)也能夠利用該計(jì)算軟件得到輪胎的四輪受力,而不必再建立復(fù)雜的整車模型來進(jìn)行多種工況的驗(yàn)證仿真。這雖然也要經(jīng)過整車模型和試驗(yàn)的驗(yàn)證,但是這個(gè)過程只經(jīng)歷一次,而且對于類似的其他車型,車輛多極限工況四輪受力分析軟件可以通用。

 

三、前懸架減震器上支點(diǎn)緊固件受力提取


現(xiàn)選取減震器上支點(diǎn)的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì),螺栓數(shù)目為4個(gè)。假設(shè)側(cè)滑極限為0.8,極限轉(zhuǎn)彎速度為26m/s, 由得,車輛需要通過半徑約為R=86.2m的彎道。根據(jù)基本參數(shù)建立整車數(shù)學(xué)模型和懸架ADAMS模型,通過輪胎受力得到懸架關(guān)鍵緊固件受力,最終實(shí)現(xiàn)該車型的關(guān)鍵緊固件強(qiáng)度設(shè)計(jì)與選型。

 

將第二章末節(jié)利用計(jì)算軟件得到的輪胎受力分別按工況加載到前懸架總成模型進(jìn)行各工況仿真,建立相應(yīng)的緊固件受力對應(yīng)的request,提取緊固件處的受力,得到的仿真結(jié)果如下表所示:

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