基于智能材料的自适应主动悬架概念设计与研究毕业论文

2020-02-17 17:50:12

摘要

智能材料在传统工程结构中的应用，赋予了传统结构自适应调节、自我诊断、自我修复等智能特征，除此之外还会增强结构强度、改善结构性能，其种种优良特性及应用前景广阔，成为各国研究热点。随着制造业的发展，汽车行业也在高速起飞，人们对汽车行驶过程中的舒适性、安全性及操作稳定性等主要性能提出了更高更好的要求。汽车悬架系统是底盘控制的主要系统，但传统的悬架系统其常常存在提高单一性能舍弃另一性能要求的矛盾，因此结合智能材料发展解决矛盾与弥补缺陷成为热点。

基于智能材料的自适应悬架其低能耗、自适应控制、稳定安全和有效提高汽车性能等优点成为人们研究与发展的对象。本文回顾了国内外对智能材料研究的进程，以及悬架技术的发展，进行了分析各智能材料特性及应用在悬架系统的可行性，例如，以智能材料磁流变液为基础的减振器与传统的减振器相比拥有响应更加迅速、阻尼力连续可调、易于与数字计算机技术相结合等优点。本文的主要内容包括：分析比较各类型的悬架系统的优缺点。简述智能悬架系统控制策略，给出可以应用的控制策略简述。分析磁流变液的主要性能，并根据建立的阻尼力模型进行参数设计与磁路设计，确立磁流变减振器的基本结构并绘制出结构简图；分析超磁致伸缩体材料的基本特性，给出基于该材料的作动器的概念设计并绘制出结构简图；从改变悬架刚度的角度出发，分析形状记忆合金的材料特性，进行概念设计探究应用的可行性。

关键词：智能材料；磁流变液；超磁致伸缩体；形状记忆合金；磁流变减振器；控制策略。

Abstract

The application of intelligent materials in traditional engineering structures gives intelligent features such as adaptive adjustment, self-diagnosis and self-repair of traditional structures. In addition, it will enhance structural strength and improve structural performance. Its various characteristics and application prospects are broad. Become a research hotspot in various countries. With the development of the manufacturing industry, the automotive industry is also taking off at high speed, and people put forward higher requirements for the comfort, safety and operational stability of the car during driving. The car suspension system is the main system of chassis control, but the traditional suspension system often has the contradiction of improving the single performance and discarding another performance requirement. Therefore, it is a hot spot to solve the contradiction and make up the defects by combining the development of smart materials. The intelligent material-based adaptive suspension has become the research and development object of its low energy consumption, adaptive control, stable safety and effective improvement of vehicle performance. For example, a damper based on a smart material magnetorheological fluid has the advantages of faster response, continuously adjustable damping force, and ease of integration with digital computer technology compared to conventional dampers.
This paper reviews the progress of research on smart materials at home and abroad, as well as the development of suspension technology, and analyzes the characteristics of various smart materials and their feasibility in suspension systems. The main contents include: Briefly describe the control strategy of the intelligent suspension system and give a brief description of the control strategy that can be applied. Analyzing the main performance of magnetorheological fluid, and designing the parameters and magnetic circuit according to the established damping force model, establishing the basic structure of the magnetorheological damper. The structural diagram is analyzed; the characteristics of the giant magnetostrictive material are analyzed, the conceptual design of the actuator based on the material is given and the structural diagram is drawn; and the material properties of the shape memory alloy are analyzed from the perspective of changing the stiffness of the suspension. , the feasibility of conceptual design exploration applications.

Key Words：Intelligent materials; magnetorheological fluid; giant magnetostrictive body; shape memory alloy; magnetorheological damper; control strategy

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 智能材料的国内外研究现状 1

1.2.2悬架的国内外研究及现状 2

1.2.3智能材料在汽车振动控制上的应用 3

1.3本文研究主要内容及意义 4

第2章悬架技术及控制理论 5

2.1悬架的分类 5

2.2悬架系统控制理论概述 7

2.2.1常见的控制理论概述 7

2.2.2智能悬架系统的控制策略概述 9

2.3本章小结 10

第3章智能材料的选择及其性能 11

3.1 磁流变液的主要性能及应用 11

3.1.1 磁流变液主要性能 11

3.1.2 磁流变液减振器 13

3.2超磁致伸缩体的主要性能及应用 14

3.3形状记忆合金的主要性能及应用 15

3.4本章小结 17

第4章基于智能材料的结构概念设计与研究 18

4.1磁流变减振器的设计 18

4.1.1 磁流变减振器阻尼力模型建立 18

4.1.2磁流变减振器结构设计 20

4.1.3磁流变减振器磁路设计 21

4.2超磁致伸缩作动器的概念设计 24

4.2.1超磁致伸缩体作动器的结构设计 24

4.2.2超磁致伸缩体作动器的概念图 26

4.2.3超磁致伸缩体作动器的静态模型建立 27

4.3 SMA螺旋弹簧的概念设计 28

4.4 本章小结 30

第5章总结与展望 32

参考文献 33

致谢 34

第1章绪论

1.1 引言

悬架连接着车身与车轮，传递路面作用在车轮上的各种力以及力矩，悬架的调节能力决定着汽车行驶过程中的舒适性，悬架系统是汽车减振的最主要的系统。因此开展智能材料在汽车悬架上的应用是必不可少的。

智能材料区别于传统的材料是能够随着环境的刺激或者激励发生自我形状或者物理属性的改变。智能材料及其结构的应用改变了传统汽车制造业的机械传动和电机驱动的现状，使未来的驱动模式不再受到机械结构体运动的自由度约束，同时愈发满足人们对汽车行驶中的舒适安全，能源节约、环境保护等追求。依托智能材料或智能结构提高汽车稳定性与舒适性是研究的重要方向。

1.2国内外研究现状

1.2.1 智能材料的国内外研究现状

智能材料与结构是涉及到多个学科的交叉性综合性的新型学科，智能材料的能够判断外部刺激并适当处理且本身可执行的特性成为现代高新材料发展的重要方向。智能材料拥有七大功能，即传感功能、反馈控制功能、信息辨识与积累功能、快响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力，这些能力使智能材料可以应用在机械材料的结构集成设计与研究、传感器与驱动技术、信息传输与技术处理等方面。目前常见的智能材料主要有形状记忆智能材料、压电智能材料、电/ 磁流变液智能材料、聚合物基自组装智能材料、磁致伸缩智能材料智能凝胶材料等。

智能材料概念的提出引起了世界主要国家的重视，并纷纷投入精力与资金进行研究与发展。美国在智能材料方面已经从研究走向应用，应用的主要方向是军事设备和民用建筑等。在1997年，美国颁布了“基础研究计划”，把智能材料及智能结构列为了战略研究计划，在空海军研究“智能金属结构计划”，航天实验室的“蒙皮计划”等。比如，美国波音和MIT联合研究的智能纤维和电致流变体，将其嵌入在直升飞机的螺旋机翼上能使其阻力大幅度下降，获得最佳的的空气动力系数，且延迟机翼的疲劳寿命，并将应用在研发的直升飞机中^[1]。与此同时，智能材料也应用在民用领域上，如智能水库大坝的、智能桥梁、智能高层建筑等，提高这些建筑在受到载荷时得自适应控制能力，有利于建筑结构健康检测和结构劣化防控，使这些民用建筑安全性能大幅度提高^[2]。在欧洲，各国研究将智能材料应用于传感结构当中，比如应用压电敏感材料、碳纤维敏感材料、光薄膜敏感材料以及其他材料在以MEMS技术为基础实现的传感器中，同时，也有正在研究的光纤传感器能够实现自我诊断和监测等功能^[3]。在日本，其形状记忆合金和高分子聚合物压电材料的研究处于国际领先方面。日本研制开发出一种聚偏维尼纶高分子材料在被拉伸时能够产生电荷，将其涂层在金属表面可以检测出金属疲劳程度。在医学方面，日本材料学家和医学家合作研制开发出受到外界刺激会发生收缩额的高分子材料并应用在制造人工肌肉中^[4]。

在国内，智能材料的研究与应用也逐步提升。智能材料领域方面的专利申请数量从73年后逐年上升并且在二十世纪初达到高峰之后逐年平稳，纵向相比申请数量与美国日本等国家相差差距不大处于第二梯队^[5]。中国在智能材料的研发起步晚但发展快。我国几所高校都在不同种类的智能材料上进行了研究：上海交通大学的主要研究成果是关于形状记忆合金材料、压电陶瓷、自清洁二氧化钛纳米薄膜、二氧化硅纳米纤维、生物仿生人工骨等方面的专利；中国科学院上海硅酸盐研究所主要专利成果是压电陶瓷材料及元件；清华大学的专利成果主要涉及到压电陶瓷材料及其元件、仿生水凝胶快速成形工艺、仿生骨复合材料、纳米材料等^[6]。

1.2.2悬架的国内外研究及现状

按照汽车减振方式的区别将悬架系统分为主动和被动悬架系统。在传统悬架系统（被动悬架系统）中，传统悬架参数（如弹簧刚度和减震器阻尼系数）一经选定就难以改变，因此在设计过程中通常按照经验寻找一个最佳的折中方案来确定参数。即在特定工况下，汽车的性能才达到最佳，一旦汽车运行工况发生改变，汽车性能将会变差，这意味着传统被动悬架难以满足舒适性和稳定性的双重要求，从而限制了汽车性能的更进一步的提高。

为了弥补这些缺陷人们提出了可控悬架。可控悬架可分为半主动悬架、慢主动悬架（低频内有效工作）和全主动悬架三种结构。半主动悬架是可根据需要调节阻尼或刚度的需求但并没有动力源不能够主动的进行干预，而主动悬架是有外部能量输入施加一定的控制力即当汽车制动、转向或增加负载引起弹簧变形时，主动悬架系统会产生一个与惯力相对抗的力，减少车身位置的变化。1955年德国科研团队提出主动悬挂的概念，它是由有源可控元件构成的闭环控制系统，当路面输入激励信号时可以根据汽车运动状况产生响应应对汽车的振动，开辟出一条崭新的提高汽车性能的途径。但其也存在难以弥补的缺陷，即结构复杂造价高昂，所以成本较高普及程度不高^[7]。在1974年，加州大学科研团队提出了半主动悬架的概念^[8]，相对于主动悬架而言它是无源控制调节悬架系统中的阻尼或者刚度的变化来实现获得最优频率响应达到最优减振效果以此适应路面从而降低车轮载荷波动，提高附着性能，改善操纵性，同时减轻了轮胎的磨损。因此,这种悬架技术日益受到人们的重视并成为当今国内外学者和生产商研究开发的热点。

1.2.3智能材料在汽车振动控制上的应用

汽车的悬架系统一般由弹性元件，减振器和导向元件构成。弹性元件吸收冲击能量起到缓和作用，减振器衰减冲击引起的振动，导向元件保障汽车的操作稳定性。在传统悬架系统中弹性元件的刚度和减振器的阻尼不会随着外界道路环境及车辆运动状态进行改变和调节，所以传统汽车悬架中弹簧刚度小汽车平顺性好但操纵稳定性会变差，弹簧刚度大稳定性好但振动提高舒适度降低。

利用智能材料的材料特性设计减振器来解决传统悬架中减振器阻尼调节能力弱的缺陷。比如，传统的机械式可调阻尼减振器通过调节阀门大小来调节阻尼力实现一定的阻尼调节能力，但其控制系统相对简单无法适应复杂的道路变化的情况而且加工精度要求高制造成本大。将智能磁流变液或智能电流变液作为减振器中的工作液可以实现阻尼力的连续调节，且控制方式可以通过改变磁场/电场强度来实现毫秒级的控制能够应对各种复杂变化的情况，可逆可控、能耗低且安全可靠。因此基于智能材料的减振器得到主要国家的高度重视。美国lord公司研制的磁流变液处于世界领先地位并与德国公司合作开发出汽车磁流变主动悬架系统，并应用在 R8、Acura MDX、Buick Lucerne、Cadillac DTS、SLR、SRX、STS和Ferrari 599GTB等车型^[9]。国内磁流变应用技术相比于国外虽然具有较大差距但发展十分迅速。在我国，最先对磁流变液进行研究的科研单位大都针对于控制方法策略的研究，还未达到实车应用阶段^[4]。

同样的，针对于弹性元件也可以采用智能材料改变其性能优化减振效果。比如，

采用形状记忆合金构成的弹簧元件能够随着温度变化改变其剪切弹性模量，可以通过激励温度获得不同的回复力。采用磁性变弹体构成的弹性元件相比于磁流变体更加稳定通过磁场响应更加迅速。迄今，以智能材料为基础的弹性元件大多应用在复合材料板梁结构中进行刚度调节，设计汽车适用的智能弹性元件在理论上存在一定的可行性。