摘 要

悬架是汽车底盘中的关键部分之一，它的性能直接影响车辆的行驶平顺性、安全性和乘坐舒适性。其中半主动悬架能够根据车辆行驶条件的变化对悬架的阻尼进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态，因此成为了各国汽车研究设计的重点方向。

本文首先建立1/4半主动悬架模型，主要对磁流变阻尼器进行研究和设计。本文设计的磁流变阻尼器，能够根据路况调节减振器的阻尼，使悬架系统始终处于最佳减振状状态，以保证车辆的行驶平顺性与乘坐舒适性始终处于最佳状态。主要内容如下：

首先对磁流变液特点进行介绍，并且分析了磁流变液在外部施加不同的磁场时所产生的阻尼变化。然后对悬架的弹簧进行分析计算，设计了磁流变阻尼减振器的结构。使用CATIA建立了磁流变减振器的三维模型。利用有限元软件ABAQUS对设计的减振器的三个主要部件进行不同工况下的应力分析。最后基于车辆高速通过坑洼路段这种工况下的应力值对减振器活塞杆进行优化。分析结果表明相比于被动悬架，磁流变半主动悬架能在汽车的运动状态和路面状况发生变化时，通过适时调节减振器的阻尼，使悬架始终处于最佳减振状态。

关键词：半主动悬架，磁流变液减振器，CATIA建模，ABAQUS有限元分析，结构优化。

Abstract

Suspension is one of the key parts of a car's chassis, and its performance directly affects the ride comfort, safety and ride comfort of the vehicle. The semi-active suspension can dynamically adjust the damping of the suspension according to the change of the driving conditions of the vehicle, so that the suspension system is always in the optimal vibration-reducing state, thus becoming the key direction of automobile research and design in various countries.

In this paper, the 1/4 semi-active suspension model is first established, mainly researching and designing the magnetorheological damper. The magnetorheological damper designed in this paper can adjust the damping of the damper according to the road condition, so that the suspension system is always in the optimal vibration-damping state, so as to ensure that the ride comfort and ride comfort of the vehicle are always in an optimal state. The main contents are as follows:

 Firstly, the characteristics of magnetorheological fluids are introduced, and the damping changes generated by magnetorheological fluids when different magnetic fields are applied externally are analyzed. Then the spring of the suspension is analyzed and calculated, and the structure of the magnetorheological damping damper is designed. A three-dimensional model of the magnetorheological damper was established using CATIA. The finite element software ABAQUS was used to analyze the stress of the three main components of the damper under different working conditions. Finally, the damper piston rod is optimized based on the stress value of the vehicle under high speed through the pit section. The analysis results show that compared with the passive suspension, the magnetorheological semi-active suspension can adjust the damping of the damper in time when the vehicle's motion state and road surface condition change, so that the suspension is always in the optimal vibration reduction state.

Key words: Semi-active suspension, Magnetorheological damper, CATIA modeling, ABAQUS finite element analysis, Structural optimization.

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2悬架系统介绍 1

1.3半主动悬架简介 2

1.3.1半主动悬架系统的特点 2

1.3.2 半主动悬架的分类 2

1.4国内外研究现状及研究趋势 2

1.5研究的内容及方法 3

第2章 半主动悬架的特性分析 4

2.1半主动悬架的阻尼调节的类型 4

2.2 磁流变液与电流变液的比较 4

2.3磁流变液的组成及其特性 5

2.4磁流变液的工作模式 5

第3章 半主动悬架的设计与建模 7

3.1 CATIA软件概述 7

3.2 三维模型的参数选择及建模 7

3.2.1 螺旋弹簧的设计及计算 7

3.2.2 磁流变阻尼器的参数选择及设计 8

第4章 半主动悬架的仿真分析 10

4.1 ABAQUS有限元分析基本过程 10

4.1.1 ABAQUS软件概述 10

4.1.2 ABAQUS有限元分析步骤 10

4.1.3 施加载荷和创建边界条件 10

4.1.4 单位类型的选取及网格划分 11

4.2 半主动悬架减振器的有限元仿真分析 11

4.2.1减振器上部吊环分析 12

4.2.2 减振器活塞杆分析 14

4.2.3 减振器缸体仿真分析 17

4.3 半主动悬架仿真结果分析 19

第5章 基于仿真分析对减振器活塞杆的优化 20

5.1 减振器活塞杆分析存在的问题 20

5.2 减振器活塞杆的优化 20

第6章 总结与展望 22

6.1 全文总结 22

6.2研究展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

近年来，随着经济的快速增长及城镇交通网络持续完善，居民汽车保有量持续增加，汽车逐渐成为人们生活中的主要代步工具。从20世纪80年代开始，汽车就依靠实用性受到大家的喜爱，并且随着汽车工业技术的发展和智能网联在汽车上的运用，汽车已经成为人们生活中不可或缺的交通工具。随着科技的飞速发展，电控液压技术、智能网联技术和新能源技术等融合到汽车上，人们对汽车的要求也越来越高，希望汽车不仅有很高的行驶速度，而且在驾驶过程中，稳定的操控性能和乘坐舒适性也成为人们选择车辆的关键因素。

悬架系统是车轮与车身之间的弹性缓冲装置，能有效地吸收振动，缓和冲击，提高行驶平顺性和乘坐舒适性。因此改进悬架系统是提高平顺性和舒适性最有效的方法^[1]。

传统的被动悬架在设计过程中是选定一种特殊的路况和行驶速度来确定参数。通常采取的方法是在操控性能与乘坐舒适性之间找一个最佳的折中方案来确定参数，一经选定就难以改变。只有在特定的路况与速度下，汽车的性能才是最佳的；但是工况发生改变(例如路况变化、汽车行驶时的加速、紧急制动或突然转向等)，其性能将会变差，这意味着传统悬架难以在各种工况下同时满足稳定性和平顺性的要求，从而限制了汽车性能的进一步提高。随着制造工艺的提高和各种新型材料的出现，使得悬架刚度与阻尼在车辆行驶过程中的实时调节成为可能。利用控制元件对悬架系统实施主动控制，使其能根据行驶过程中遇到的不同工况及时调节阻尼和刚度，从而达到最佳的平顺性与舒适性^[2]。

1.2悬架系统介绍

悬架是车身与车轮之间的一切传力装置的总称, 它的主要功用是传递车身与车轮之间的作用力，并且将车身与车架之间的振动能量转化为热能，让减振器壳体和液压油吸收后散发到空气中，以此来加速振动的衰减，提高提车的平顺性。

汽车的悬架主要组成部分是弹性元件、减振器和导向机构三部分。弹性元件通过变形吸收振动能量，从而能够缓和不平路面带来的冲击。减振器配合弹性元件，将振动的能量转化为热能耗散，使振动得到迅速衰减。在多数的轿车与客车上，为了防止在突然转弯等工况下车身发生太大的横向倾斜，在悬架中还安装有辅助弹性元件横向稳定器。

悬架系统按照在行驶过程中刚度与阻尼是否可调分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三大类。被动悬架刚度与阻尼是不可调的，在行驶过程中性能是不变的。而主动和半主动悬架能够利用传感器和控制元件对悬架的刚度与阻尼进行动态的调节。

（1）被动悬架：被动悬架由最基本的减振器与弹性元件组成。其刚度与阻尼是按照经验与优化设计的方法确定的，在车辆行驶过程中不能调节阻尼与刚度，因此其性能是不变的。从而不能使汽车在各种工况下保持最佳的操控稳定性和乘坐舒适性。

（2）半主动悬架:该类型悬架在工作时几乎不消耗车辆的动力，故半主动悬架也称无源主动悬架。半主动悬架可以根据路况对悬架阻尼进行动态地自适应调整，并且半主动悬架的可控阻尼器没有制造主动悬架需要的电液伺服的液力执行元件复杂，故制造成本低。因而半主动悬架有较好的应用前景。

（3）主动悬架: 主动悬架能提前监测汽车的运动状态和路面状况，适时调节悬架的刚度与阻尼，能够实时保证车辆有最佳的减振与操作性能。主动悬架主要由执行机构，测量机构，反馈机构和能源机构四部分组成^[3]。

随着人们对车辆要求的越来越高，能够调节阻尼与刚度的半主动悬架与主动悬架受到大家的青睐。相比于主动悬架，半主动悬架布置方式与被动悬架类似，几乎不消耗车辆动力，而且需要的控制元件比较简单可靠，制造成本低等特点。因而半主动悬架有较好的应用前景。

1.3半主动悬架简介

1.3.1半主动悬架系统的特点

悬架系统中理想的阻尼变化应该是随着车辆工况（如道路条件、行驶速度及载荷等）的变化而改变，即减振器的阻尼能够随着路况或驾驶条件的变化而改变。从而保证悬架系统有良好的减振性能。同时半主动悬架省去了主动悬架的油泵储能器等附件，并且工作时几乎不消耗动力。因此结构简单，可以适时调节阻尼的半主动悬架成为悬架研究的主要方向。

1.3.2 半主动悬架的分类

半主动悬架按阻尼的调节方式分为有级式和无级式两种。

（1）有级式半主动悬架。它是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可以根据驾驶者调节或者根据传感器采集信号自动进行选择所需要的阻尼级。也就是说，可以根据驾驶者的主观选择或者路面条件和汽车的行驶状态（加速、转弯或制动等），来调节悬架的阻尼级，使悬架处于最佳工作状态，因此可以提高汽车的操控性与乘坐舒适性。

（2）无级式半主动悬架。它是根据汽车即将遇到的路况，自动对悬架系统的阻尼在几毫秒内进行无极调节。目前普遍采用的是磁流变液减振器，该类型减振器中的磁流变液可以根据外加磁场的变化来改变阻尼力^[4]。

1.4国内外研究现状及研究趋势

在20世纪60年代，国外提出了悬架系统可以根据汽车的运动状态及载荷等的变化对悬架的刚度与阻尼进行动态调整的概念。首先研发的是可以同时改变阻尼和刚度的主动悬架，但是主动悬架结构复杂（需要油泵，储能器，油管，滤油器，油罐等）并且需要消耗车辆的动力，因此衍生出了不考虑改变悬架的刚度，而是只考虑改变悬架阻尼的半主动悬架。美国专家Crosby和Karnopp等人于20世纪70年代提出一种半主动悬架控制的方法，其设计的半主动悬架在80年代初期开始在实际车辆中安装应用^[5]。半主动悬架的控制方式类似于主动悬架，将被动悬架中阻尼不变的减振器用磁流变阻尼减振器或电流变阻尼减振器代替，配合相应的传感器采集参数，利用半主动控制器，对悬架实施半主动控制，让其在各种工况下的减振效果和操控性能达到最佳。通过测试对比，其减振性能明显优于被动悬架^[6]。

国内重庆大学黄尚廉院士带领团队研制的磁流变半主动悬架处于国际先进水平。该团队在长安商用车上测试了磁流变半主动悬架系统，在实际测试中取得良好的结果，在遇到不同路况时，阻尼可以持续动态调节。浙江大学的王维锐等人设计了一套在完全断电情况下性能也不会失效的磁流变半主动悬架系统，对提高半主动悬架车辆安全性有重要的意义。

半主动悬架一般是改变阻尼或者刚度中的一种来实现半主动控制。由于新型材料的发展，阻尼调节变得更加简单可靠，因此半主动悬架通常采用可变阻尼器实现悬架的阻尼调节。一般采用电液技术或电磁技术来改变半主动悬架阻尼，目前研发出的新型材料能根据外加电场或磁场的变化来改变阻尼的大小。对比分析发现磁流变液在屈服强度等方面性能优于电流变液。因此磁流变阻尼减振器逐渐成为半主动悬架系统领域的研究热点^[7]。

1.5研究的内容及方法

本课题针对这一问题，主要研究半主动悬架对汽车行驶过程中平顺性的影响。以悬架系统减振器为研究对象，分析不同工况下的减振器各点应力分布，具体研究内容如下：

（1）通过参数计算，查阅磁流变阻尼器的结构设计，选择将线圈绕在减振器活塞上的布置方式，设计了半主动悬架，并且利用三维建模软件建立1/4半主动悬架三维模型；

（2）对悬架与车架之间的接触进行有限元分析，了解悬架处与车架接触点的应力分布情况，同时选取特殊的工况对减振器的部件做应力分析，通过不同工况下的应力对比，找到最合适的减振器参数。

（3）通过应力分析，比较半主动悬架与被动悬架的应力大小，分析半主动悬架在多变工况中的优势。同时根据所选材料的屈服强度等属性，对设计的减振器不合理之处进行结构优化。

第2章 半主动悬架的特性分析

2.1半主动悬架的阻尼调节的类型

利用能够改变流体粘度系数的可控阻尼液代替传统减振器中的液压油，来根据车辆工况的变化控制减振器的阻尼是实现悬架半主动化的可靠方法。因此人们把研究方向聚焦于能够改变粘度系数的可控液体上。目前比较成熟的是电流变液减振器与磁流变液减振器。

2.2 磁流变液与电流变液的比较

目前广泛应用的是电流变液和磁流变液，两者都属于可控型材料，其中人们最先研究的是电流变液，受到磁电的相似性继而研发出磁流变液。它们的控制方法都是调节外部电场或磁场的大小来调节液体的阻尼。磁流变液与电流变液的性能比较如表2-1所示 ^[8]，通过表中的对比可以看到磁流变液的性能更加适合作为半主动悬架减振液。

表2-1磁流变液与电流变液性能的比较

磁流变阻尼减振器结构简单，不似空气、液压主动悬架那样采用机电控制阀和众多的小运动部件，因此其可靠性是超过以阀门为基础的产品。由表2-1可知，磁流变减振器反应速度是毫秒级的，因此有更快的反应速度，在高速行驶时也会应付自如。磁流变减振器的工作温度为-40～110℃，对环境的适应能力很强，因为车载电子系统的温度也在这个范围内。根据路况可自动调节阻尼，以减少车身晃动和倾斜，满足舒适性和平稳性的要求，减振效果好，能延长整车及零部件的使用寿命。

2.3磁流变液的组成及其特性

磁流变液由磁性颗粒与基液组成，并且添加具有抗凝结和抗沉降的添加剂混合而成。磁性颗粒直径一般为（0.01～10μm），磁性颗粒应具有高导磁率和较低的矫顽力，通常由羟基铁、铁氧钡、铁钴合金和铁镍合金等加工而成。基液具有较低的粘性，高沸点及耐腐蚀性等特点，通常采用硅油和矿物油等性能稳定并且非磁导性的液体。化学添加剂主要成分是分散剂和防沉降剂，作用是防止颗粒沉降、结团等 ^[9]。

磁流变液的流变特性会随着外磁场的方向和大小的变化而改变。当没有外加磁场作用时，磁流变液中磁性颗粒是随机分布的，此时流体自由流动且粘度较小，磁流变液表现和普通的液压油一样，只要有较小的剪切力就可以让其流动；在外磁场施加作用后，磁性颗粒会沿着磁场同方向分布排列，流体的屈服应力也逐渐增大，需要有更大的剪切力才能让其流动；当施加更强的外磁场后，磁性颗粒在磁场方向的排列更加紧密，最终形成链状排列；外加磁场力增加到一定值后，磁流变液不再是液体状，阻尼达到最大值。利用电流控制外加磁场的大小，可以在很短时间内改变磁流变液的阻尼。原理图如图2-1所示^[10]。

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