麦弗逊结构的电磁直线馈能悬架三维建模研究(附件)
本文的研究对象是一种基于动圈式电磁直线作动装置的馈能悬架，本悬架以麦弗逊式悬架为基础，将麦弗逊式悬架的传统减振器改为由电磁直线作动装置与阻尼相串联的减震结构。在对电磁直线作动装置的工作原理有足够理解的基础上，重点研究电磁直线馈能悬架的三维建模。通过对电磁直线作动装置的研究与设计，确立其合适的结构与尺寸，将其通过减震器与麦弗逊式悬架结合起来，设计出完整的电磁直线馈能悬架，并使用三维建模软件，进行基于麦弗逊式悬架的电磁直线馈能悬架的三维建模，最终在三维模型的基础上导出二维图，制作动态装配以及运动仿真。关键词 电磁直线馈能悬架，电磁直线作动装置，三维建模，动态装配，运动仿真
目 录
1 绪论 5
1.1 本文研究的背景及意义 5
1.2 国内外电磁馈能悬架发展现状 6
1.3 三维建模软件对比分析 9
1.4 本文研究内容及拟采取的研究手段 10
2 电磁直线馈能悬架工作原理及结构参数选择 11
2.1 电磁直线馈能悬架的工作原理 11
2.2 电磁直线馈能悬架的结构方案确认 12
2.3 电磁直线馈能悬架的关键尺寸参数的选择 13
3 基于Pro/E的电磁直线馈能悬架三维建模分析 17
3.1 Pro/E软件简介 17
3.2 应用Pro/E软件三维建模分析 17
3.3 电磁直线馈能悬架约束装配 19
3.4 电磁直线馈能悬架爆炸视图 22
3.5 电磁直线馈能悬架及零部件的二维图生成 23
4 电磁直线馈能悬架的动态装配及运动仿真分析 23
4.1 电磁直线馈能悬架的动态装配 23
4.2 电磁直线馈能悬架的运动仿真 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 本文研究的背景及意义
随着我国经济的腾飞，人民生活水平和质量明显提高，汽车已经是人们的日常生活中必不可少的交通工具。据公安部统计，截至2017年年底，全国机动车保有量达3.1亿辆，其中汽车2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
17亿辆；机动车驾驶人达3.85亿名，其中汽车驾驶人3.42亿名；创历史新高。一方面，随着汽车驾驶人的增多，人们对汽车的舒适性，安全性以及驾驶操控性等汽车性能的重视度越来越高，从而促使业界朝着相应的方向发展；另一方面，车辆总使用量的增加，带来了不可忽视的环境和能源方面的问题，如何在保证汽车行驶性能的基础上做到最大程度的节能减排，成为当下许多学者研究的热点。
悬架作为汽车底盘的系统的关键部件，具有衰减路面振动激励和承载体的功能，它的性能直接决定了车辆的操纵稳定性与乘坐舒适性。减震器、弹性元件和导向机构组成是传统汽车悬架的主要组成部分[1]。传统被动悬架的性能参数不能根据车辆工况实时调整，不能兼顾车辆行驶的平稳性和稳定性。此外，传统的被动悬架是通过阻尼器将悬架振动能量转化为热能消耗，从而减轻了地面的冲击和振动的，但是在这个衰减过程中，很大一部分能量会被耗费掉。统计数据的结果显示，汽车悬架在减振中消耗的能量约占汽车总能耗10%[2]，这与当前提高能源利用率、节能减排的时代主题背道而驰。近年来，传感器、控制处理器和执行器技术飞速发展，为可控悬架提供了有力的技术支持[3]，使其在汽车上得到了推广和普及。虽然传统的可控悬架可以实现悬架性能的实时调整，但成本高、能耗高的问题限制了其进一步的应用和推广。解决主动悬架能耗高的问题成了业内许多研究者关注的重点,而能量回馈便是一种降低能耗和使用成本的重要手段。对于传统的悬架而言，其通过阻尼将路面不平导致的车身振动转化为热量，从而实现衰减车身振动的目的，也从而引起了一大部分的能量浪费。悬架减震时耗费的能量的回收，成为了降低汽车主动悬架的高能耗问题的一种途径。
可控悬架一直是现代汽车行业研究的热点，但是限制其进一步发展的高能耗问题至今没有得到完美的解决方案。“馈能悬架”的概念的提出，旨在降低可控悬架的消耗，目前不管是国内还是国外，这种回收振动能量的悬架都是一个相对较新的研究对象，存在许多技术难题，但是它符合如今社会提倡的“节能”、“环保”的主题，有很大的发展的空间和研究价值。
1.2 国内外电磁馈能悬架发展现状
自主动悬架诞生以来，如何解决汽车可控悬架能耗大的缺点的研究从未停止，国外在该方面的研究普遍较早。
日本Suda等研究者[4]在1996年设计了一种可回收振动能量的新式悬架，由馈能电路和控制器组成。该悬架以降低可控悬架能耗为目的，采用天棚控制策略进行半主动控制。该悬架装有两台直线电机，一台作为悬架的作动装置使用，另一台负责转换振动能量为电能，两台电机和整流器一起构成了能量收集系统。
一款电磁式的带有馈能功能的主动悬架被美国BOSE公司于2004年推出[5]。与传统的悬架不同，该悬架没有减振器与弹簧，直线电机LEM取代了传统的阻尼作为衰减道路冲击的装置，同时还能进行振动能量的回收。该主动悬架的电磁直线电机的作动力的大小可以实时地根据悬架的挠度的大小变化而调节，这使得该款悬架能实现主动减振，并在压缩行程中实现馈能。
图1.1 Bose公司的电磁式主动悬架系统
纽约大学的Zuo教授[69]在2009年到2012期间针对多种在结构上不同的具有馈能功能的减振器进行了详细的对比和研究。该研究对传统的汽车悬架的减振器在运动过程中的能量耗散进行了详细的计算，并针对齿轮齿条式馈能减振器的齿轮间隙对其造成的各项性能的影响做出了详细的描述。
奥迪公司于2015年发布了一款馈能悬架[10]，该悬架的减振与馈能通过电动机械式的旋转作动装置来实现，因而不再需要传统的液压阻尼。除了能回收能量之外，该系统还具有电动主动式横向稳定杆的功能。通过集成电路，悬架在工作中回收的能量可被储存。这套悬架系统的作动器在质量上要轻10千克；通过测试，对于不同的路况，此系统的馈能功率在3W至613W。
目 录
1 绪论 5
1.1 本文研究的背景及意义 5
1.2 国内外电磁馈能悬架发展现状 6
1.3 三维建模软件对比分析 9
1.4 本文研究内容及拟采取的研究手段 10
2 电磁直线馈能悬架工作原理及结构参数选择 11
2.1 电磁直线馈能悬架的工作原理 11
2.2 电磁直线馈能悬架的结构方案确认 12
2.3 电磁直线馈能悬架的关键尺寸参数的选择 13
3 基于Pro/E的电磁直线馈能悬架三维建模分析 17
3.1 Pro/E软件简介 17
3.2 应用Pro/E软件三维建模分析 17
3.3 电磁直线馈能悬架约束装配 19
3.4 电磁直线馈能悬架爆炸视图 22
3.5 电磁直线馈能悬架及零部件的二维图生成 23
4 电磁直线馈能悬架的动态装配及运动仿真分析 23
4.1 电磁直线馈能悬架的动态装配 23
4.2 电磁直线馈能悬架的运动仿真 24
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 本文研究的背景及意义
随着我国经济的腾飞，人民生活水平和质量明显提高，汽车已经是人们的日常生活中必不可少的交通工具。据公安部统计，截至2017年年底，全国机动车保有量达3.1亿辆，其中汽车2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
17亿辆；机动车驾驶人达3.85亿名，其中汽车驾驶人3.42亿名；创历史新高。一方面，随着汽车驾驶人的增多，人们对汽车的舒适性，安全性以及驾驶操控性等汽车性能的重视度越来越高，从而促使业界朝着相应的方向发展；另一方面，车辆总使用量的增加，带来了不可忽视的环境和能源方面的问题，如何在保证汽车行驶性能的基础上做到最大程度的节能减排，成为当下许多学者研究的热点。
悬架作为汽车底盘的系统的关键部件，具有衰减路面振动激励和承载体的功能，它的性能直接决定了车辆的操纵稳定性与乘坐舒适性。减震器、弹性元件和导向机构组成是传统汽车悬架的主要组成部分[1]。传统被动悬架的性能参数不能根据车辆工况实时调整，不能兼顾车辆行驶的平稳性和稳定性。此外，传统的被动悬架是通过阻尼器将悬架振动能量转化为热能消耗，从而减轻了地面的冲击和振动的，但是在这个衰减过程中，很大一部分能量会被耗费掉。统计数据的结果显示，汽车悬架在减振中消耗的能量约占汽车总能耗10%[2]，这与当前提高能源利用率、节能减排的时代主题背道而驰。近年来，传感器、控制处理器和执行器技术飞速发展，为可控悬架提供了有力的技术支持[3]，使其在汽车上得到了推广和普及。虽然传统的可控悬架可以实现悬架性能的实时调整，但成本高、能耗高的问题限制了其进一步的应用和推广。解决主动悬架能耗高的问题成了业内许多研究者关注的重点,而能量回馈便是一种降低能耗和使用成本的重要手段。对于传统的悬架而言，其通过阻尼将路面不平导致的车身振动转化为热量，从而实现衰减车身振动的目的，也从而引起了一大部分的能量浪费。悬架减震时耗费的能量的回收，成为了降低汽车主动悬架的高能耗问题的一种途径。
可控悬架一直是现代汽车行业研究的热点，但是限制其进一步发展的高能耗问题至今没有得到完美的解决方案。“馈能悬架”的概念的提出，旨在降低可控悬架的消耗，目前不管是国内还是国外，这种回收振动能量的悬架都是一个相对较新的研究对象，存在许多技术难题，但是它符合如今社会提倡的“节能”、“环保”的主题，有很大的发展的空间和研究价值。
1.2 国内外电磁馈能悬架发展现状
自主动悬架诞生以来，如何解决汽车可控悬架能耗大的缺点的研究从未停止，国外在该方面的研究普遍较早。
日本Suda等研究者[4]在1996年设计了一种可回收振动能量的新式悬架，由馈能电路和控制器组成。该悬架以降低可控悬架能耗为目的，采用天棚控制策略进行半主动控制。该悬架装有两台直线电机，一台作为悬架的作动装置使用，另一台负责转换振动能量为电能，两台电机和整流器一起构成了能量收集系统。
一款电磁式的带有馈能功能的主动悬架被美国BOSE公司于2004年推出[5]。与传统的悬架不同，该悬架没有减振器与弹簧，直线电机LEM取代了传统的阻尼作为衰减道路冲击的装置，同时还能进行振动能量的回收。该主动悬架的电磁直线电机的作动力的大小可以实时地根据悬架的挠度的大小变化而调节，这使得该款悬架能实现主动减振，并在压缩行程中实现馈能。
图1.1 Bose公司的电磁式主动悬架系统
纽约大学的Zuo教授[69]在2009年到2012期间针对多种在结构上不同的具有馈能功能的减振器进行了详细的对比和研究。该研究对传统的汽车悬架的减振器在运动过程中的能量耗散进行了详细的计算，并针对齿轮齿条式馈能减振器的齿轮间隙对其造成的各项性能的影响做出了详细的描述。
奥迪公司于2015年发布了一款馈能悬架[10]，该悬架的减振与馈能通过电动机械式的旋转作动装置来实现，因而不再需要传统的液压阻尼。除了能回收能量之外，该系统还具有电动主动式横向稳定杆的功能。通过集成电路，悬架在工作中回收的能量可被储存。这套悬架系统的作动器在质量上要轻10千克；通过测试，对于不同的路况，此系统的馈能功率在3W至613W。
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