轨道车辆用空气弹簧阻尼特性研究与应用

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1、轨道车辆用空气弹簧阻尼特性研究与应用莫荣利陈灿辉陈文海邹宇郭红锋(株洲时代新材料科技股份有限公司)[摘要]本文对轨道车辆用空气弹簧阻尼特性的基础理论和阻尼系数的测试方法进行了探讨，重点讨论了能量等效法及其在空气弹簧系统阻尼测试上的应用。研究表明对于非线性系统，能量等效法是一种行之有效的测试方法。关键词：空气弹簧、阻尼系数、测试方法、非线性MoRongliChenCanhuiChenWenhaiZhouYuGuoHongfei(ZhuZhouTimesNewMaterialTechnologyCO.,LTD)[Abstract]Thispaperdiscussestheb

2、asictheoryofthevehicleairspringdampingandthetestingmethodsofthedampingcoefficient.Applicationsoftheenergyequivalentmethodonthedampingtestsoftheairspringsystemhavebeencarriedout.Theresultsshowthattheenergyequivalentmethodisaneffectivetestingwaytoworkoutthedampingcoefficientinthenonlinears

3、ystem.KeyWords:Airspring,Dampingcoefficient,Testingmethods,Nonlinearity11前言随着轨道交通运输安全性、舒适性和高速化要求越来越高，车辆及其转向架功能集成化和轻量化设计成为当今的发展趋势。带有节流装置的空气弹簧不仅是车辆悬挂系统中的弹性支撑元件，而且是悬挂系统中的减振阻尼元件，是功能集成化和轻量化设计的典型应用。空气弹簧的阻尼作用是通过安装在空气弹簧本体与附加空气室之间的节流孔（阀）来实现的，如图1所示。当空气弹簧变形时，两者之间将产生压力差。空气弹簧在静态变形（或缓慢变形）过程，其压力差不大，但在振

4、动过程，其压力差较大。空气通过节流孔时由于流程阻力而吸收振动能量，从而实现衰减振动的作用。1-空气弹簧、2-节流孔、3-附加空气室图1有阻尼空气弹簧结构示意图2空气弹簧阻尼的基础理论2.1空气弹簧的力学模型根据理想气体状态方程，在标准状态下，空气弹簧和附加空气室的多变过程可以用以下方程式描述：（1）（2）对于微小变形，将上式展开成级数，并略去二阶以上的微小量后整理可得：（3）（4）当空气弹簧有效面积在其变形的变化率不大的情况下，空气弹簧容积变化量可以近似表示为：（5）自标准状态变形后，空气弹簧上产生的作用力为：（6）又根据流体力学理论，节流孔的流量特性近似表示为：（7）

5、由式（3）～（7）消去，则有4（8）令,则式（8）改写为：（9）　　　　　　　式中（10），，，式（9）关系可以用图2所示的力学模型表示，图中的各参数与式（10）的各参数相对应。所以用节流孔起作用的空气弹簧，相当于一个弹性支撑的减振器系统，即内容积为、有效面积为的空气弹簧和阻尼系统为的减振器并联，而它又和内容积为，有效面积为的空气弹簧串联后，再与有效面积变化率有关的弹簧并联。图2有阻尼空气弹簧力学模型2.1空气弹簧悬挂系统有阻尼自由振动模型及其最佳阻尼研究表明:空气弹簧的阻尼作用主要取决于空气弹簧刚度和容积比[1]。因此为使分析简化，可略去有效面积变化率的影响。空气弹簧

6、悬挂系统有阻尼自由振动模型简化为图3所示力学模型。图3有阻尼空气弹簧悬挂的简化系统该系统的自由振动方程为（11）　　　　求解式（11）微分方程可得对于任意容积比的自由振动的最佳阻尼为（12）式中：—多变指数，—空簧内压，—大气压力，—簧上质量（四分之一车辆模型）。多变指数的取决于变化过程的空气流动速度，对于车辆运行过程的实际情况来说，主要取决于振动时车体垂向运动速度。2.2空气弹簧悬挂系统有阻尼受迫振动模型及其最佳阻尼对有阻尼空气弹簧悬挂系统在正弦干扰4的作用下的受迫振动方程为（13）　　　同理，受迫振动的最佳阻尼为（14）3阻尼系数测试方法与应用阻尼系数测试方法主要有

7、振幅衰减法、试验模态分析法和能量等效法。3.1振幅衰减法振幅衰减法实际上是模态分析法中的时域法,直接由系统结构的时间域自由响应求得固有频率、振型和阻尼等模态参数。用振幅衰减法求阻尼系数，可表示为：（15）式中：-系统刚度；-簧上质量；-系统振动曲线两相邻的最大正振幅值。在实际测量振动曲线时，不可能避免外界噪声和测量误差的影响，研究表明这种方法测量的阻尼参数对振幅比的变化率非常敏感[2]，测试的精度难以保证。3.2试验模态分析法试验模态分析法是通过试验测定数据，确定阻尼等模态参数的。试验模态分析法属于频域法范畴，其中传递函数法分析过程如图4