空氣彈簧垂向動態(tài)特性分析

空氣彈簧垂向動態(tài)特性分析

空氣彈簧是懸掛客運和高速客運車輛的重要部件之一?？諝鈴椈蓱覓煜到y(tǒng)的特性對車輛的舒適性具有非常重要的作用,因此對空氣彈簧的特性研究具有重要的意義?？諝鈴椈蓱覓煜到y(tǒng)由空氣彈簧本體(包括膠囊、上蓋板和橡膠堆)、節(jié)流閥、差壓閥和高度控制閥組成。節(jié)流閥根據(jù)節(jié)流孔在應用中是否發(fā)生變化分為固定節(jié)流閥和可變節(jié)流閥兩種?？勺児?jié)流閥的節(jié)流孔面積隨著空氣彈簧本體與附加氣室空氣的壓差發(fā)生變化。當空氣彈簧上蓋板相對于底座產(chǎn)生垂向位移時,空氣彈簧內(nèi)的氣體容積發(fā)生變化,引起壓力的變化?？諝鈴椈膳c附加氣室之間產(chǎn)生的壓差迫使氣體流過節(jié)流閥。由于氣體流過節(jié)流閥時流通面積減小,節(jié)流閥對氣體的流動產(chǎn)生阻礙作用。同時空氣彈簧垂向變形時由于膠囊形狀的改變,引起膠囊與上蓋和底座接觸面積的改變,因此空氣彈簧的垂向動態(tài)特性比較復雜。節(jié)流閥對氣體流動的阻礙作用引起空氣彈簧的動態(tài)剛度和阻尼相對于靜態(tài)剛度產(chǎn)生較大的變化,而且隨激擾頻率的改變而改變。動態(tài)剛度和阻尼的改變影響到車體振動的固有頻率和衰減率,影響到車體振動的衰減特性,從而影響到車輛運行的舒適性。由于空氣彈簧垂向動態(tài)特性規(guī)律具有一定的復雜性,因此研究節(jié)流閥參數(shù)對空氣彈簧振動特性的影響有著非常重要的意義。本文應用空氣動力學、熱力學理論,結合試驗數(shù)據(jù)和有限元分析的結果推導了空氣彈簧的垂向動態(tài)特性模型,然后采用龍格庫塔積分法進行方程的求解。為了與試驗結果進行比較,根據(jù)試驗情況建立了空氣彈簧的等效模型,計算結果與試驗結果具有很好的一致性,驗證了模型的正確性。根據(jù)振動理論,振動系統(tǒng)對不同頻率激擾的隔振效果可以由車體振動位移頻譜分布判斷,即評定空氣彈簧對車輛垂向振動的衰減特性可以根據(jù)空氣彈簧系統(tǒng)強迫振動的位移傳輸率來決定。本文分析了多組節(jié)流閥參數(shù)方案對空氣彈簧不同幅值激擾的減振性能的影響,并根據(jù)振動位移傳輸率確定了對于不同幅值激擾具有良好減振特性的空氣彈簧節(jié)流閥參數(shù),為空氣彈簧節(jié)流閥參數(shù)的優(yōu)化設計奠定了基礎。1空氣彈簧本體內(nèi)氣體內(nèi)部流量的計算圖1所示為TY550型空氣彈簧的三維實體模型,圖2為空氣彈簧安裝在車輛中的垂向振動模型。模型中質(zhì)量塊模擬車體質(zhì)量(1/4),固定節(jié)流閥由一個節(jié)流孔表示。根據(jù)牛頓定理:Μ¨z=(p1-pa)F(1)Mz¨=(p1?pa)F(1)式中,z為車體質(zhì)心的垂向振動位移;M為車體質(zhì)量的1/4;p1為空氣彈簧本體內(nèi)的絕對氣體壓力;pa為大氣壓力;F為空氣彈簧的等效承載面積。根據(jù)能量守恒原理、質(zhì)量連續(xù)和理想氣體狀態(tài)方程可以建立如下方程式:空氣彈簧本體內(nèi)的氣體dQ1+dQD=dU1+dL(2)dθ1=-Gdt(3)p1V1=Rθ1T1(4)附加氣室dQ2-dQD=dU2(5)dθ2=Gdt(6)p2V2=Rθ2T2(7)式中,Q1,Q2分別為外界對空氣彈簧和附加氣室傳遞的熱量;QD為附加氣室傳遞給空氣彈簧本體的能量;U1,U2分別為空氣彈簧和附加氣室氣體內(nèi)能;R為氣體常數(shù);p1,V1,T1,θ1分別空氣彈簧本體內(nèi)氣體絕對壓力、容積、絕對溫度和質(zhì)量;p2,V2,T2,θ2分別為附加氣室內(nèi)氣體絕對壓力、容積、絕對溫度和質(zhì)量;G為空氣彈簧本體和附加氣室之間空氣質(zhì)量流量;L為空氣彈簧本體內(nèi)氣體對外界的做的功。根據(jù)SAINT-VENAN方程,設臨界壓力比為b=(2x+1)x/x-1b=(2x+1)x/x?1,當p1/p2≥b或者p2/p1≥b時,節(jié)流閥的質(zhì)量流量可以表示為:當p1≥p2時,G=μS√2xx-1p1θ1V1[(p2p1)2x-(p2p1)x+1x](8)G=μS2xx?1p1θ1V1[(p2p1)2x?(p2p1)x+1x]??????????????????????√(8)當p1<p2時,G=-μS√2xx-1p2θ2V2[(p1p2)2x-(p1p2)x+1x](9)G=?μS2xx?1p2θ2V2[(p1p2)2x?(p1p2)x+1x]??????????????????????√(9)當p1/p2<b或者p2/p1<b時,氣體流動出現(xiàn)壅塞,此時節(jié)流閥的質(zhì)量流量可以表示為:p1≥p2時G=μS(2x+1)1x-1√2x(x+1)Rp1√Τ1(10)G=μS(2x+1)1x?12x(x+1)R?????√p1T1√(10)p1<p2時G=-μS(2x+1)1x-1√2x(x+1)Rp2√Τ2(11)G=?μS(2x+1)1x?12x(x+1)R?????√p2T2√(11)式中,μ為流量系數(shù),即實際氣體流量與理論計算流量之比;S為節(jié)流閥的節(jié)流孔的面積。設:y=˙z(12)y=z˙(12)x=x0+Acosωt=x0+Acos2πft(13)式中,A為激擾振動幅值;A0為振動均值;f為激擾振動頻率。于是可以建立系統(tǒng)的動力學方程:˙X=F(X?t)(14)X˙=F(X?t)(14)本文采用龍格—庫塔積分方法對方程(14)進行求解。2ty540型空氣彈簧等效動剛度和阻尼的確定圖3為空氣彈簧垂向動態(tài)試驗的原理圖。為了便于與計算結果進比較,將空氣彈簧等效為一個彈簧和阻尼的并聯(lián)模型(見圖4)。根據(jù)試驗得到的載荷和位移數(shù)據(jù)可以計算得出空氣彈簧的等效動剛度和阻尼。表1為TY550型空氣彈簧裝有固定節(jié)流孔時試驗與計算所得動態(tài)剛度和阻尼的比較。由計算結果與試驗結果的比較可以看出,計算結果與試驗結果的計算具有很好的一致性,表明計算模型的正確性。3空氣彈簧含壓振的工況見表1采用圖3所示的模型進行試驗和計算可以得到激振位移和動態(tài)載荷,由圖4所示等效模型可以計算得到空氣彈簧的動態(tài)載剛度和阻尼系數(shù)。圖5、圖6分別是空氣彈簧裝有不同直徑節(jié)流孔的節(jié)流閥在內(nèi)壓為300kPa(表壓)、激振位移幅值為10mm時計算得到的動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)。采用圖2所示的計算模型時,可以得到質(zhì)量塊振動位移幅值與激振位移幅值的比值(即振動傳輸率)。圖7～圖9為空氣彈簧裝不同節(jié)流孔的節(jié)流閥時在內(nèi)壓為300kPa(表壓),激振位移幅值為5mm,7.5mm,10mm時的位移傳輸率。由圖5可以看出,空氣彈簧動剛度隨著激振頻率的增加而增加,隨著節(jié)流孔的增大而減小。空氣彈簧的阻尼隨著激振頻率的增加先增加后減小,在低頻區(qū)域節(jié)流孔直徑越大阻尼越小。由圖7～圖9可以看出,空氣彈簧存在著兩個主要的固有頻率,分別為1.05Hz和2.2Hz。該頻率分別對應于節(jié)流閥不起作用和節(jié)流閥被堵死兩種情況。當節(jié)流孔足夠大時,節(jié)流閥將不起作用,空氣彈簧與附加氣室之間的流動性較好,氣體容積為空氣彈簧與附加氣室之間氣體的總和,空氣彈簧運動中體積變化率較小,因此動剛度較小,車體振動的固有頻率較低。當節(jié)流孔足夠小(或者被堵死)時,空氣彈簧與附加氣室之間的流動性較差,附加氣室不起作用,空氣彈簧在運動中氣體容積變化率較大,因此動剛度較大,空氣彈簧的固有頻率較高。根據(jù)系統(tǒng)位移傳輸率可以判斷空氣彈簧系統(tǒng)對于激擾的減振和隔振性能的優(yōu)劣。選擇空氣彈簧節(jié)流孔直徑時,必須兼顧系統(tǒng)在整個頻率范圍內(nèi)的減振性能,即位移傳輸率在整個頻域內(nèi)都具有較小值。由圖7～圖9選擇對于不同幅值的激擾具有良好減振性能的節(jié)流孔直徑列于表2。由表2可以得到,固定節(jié)流閥直徑對于不同幅值激擾需要選取不同的值才能實現(xiàn)空氣彈簧系統(tǒng)最優(yōu)的減振性能,某一固定節(jié)流孔直徑對于小幅值激擾可能存在著阻尼不足,而對于大幅值激擾則可能引起過大的阻尼特性。如果選定固定節(jié)流閥裝備空氣彈簧,則需要根據(jù)車輛應用的線路條件和車輛整體參數(shù)綜合考慮才能確定節(jié)流孔直徑。4空氣彈簧動態(tài)特性的分析方法(1)空氣彈簧在節(jié)流閥的作用下垂向動態(tài)特性具有一定的復雜性,對空氣彈簧動態(tài)特性的分析具有重要意