金属螺旋弹簧动态特性研究

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1、http://www.paper.edu.cn1金属螺旋弹簧动态特性研究刘丽，张卫华西南交通大学牵引动力国家重点试验室，四川成都（610031）E-mail：tpl@home.swjtu.edu.cn摘要：车辆悬挂参数（尤其是弹簧动刚度）与车辆的运行性能有着密切联系。为此以金属螺旋弹簧为例，利用有限元方法，研究弹簧的动态特性，并通过实验对其进行了实验验证，证实金属螺旋弹簧确实存在显著的频变特性。在弹簧的运用过程中，弹簧除自身质量之外还有簧载质量，由于簧载质量的存在对弹簧的动态特性存在着影响。为此，我们对簧载质量对弹簧动态特性的影响作了专门的

2、研究，研究表明，随着簧载质量的增大，弹簧自身质量对动态性能影响减弱。关键词：车辆工程；动刚度；有限元；螺旋弹簧；共振；反共振中图分类号：U463.334文献标识码：A文章编号：1673－7180（2007）09－0.引言近十年来，中国的铁路发展迅猛，列车经过几次大提速，运行速度有了显著提高。随着运行速度的提高，不可避免地加剧了机车车辆的振动和噪声，严重影响了列车的舒适性和安全性，因此对列车减振系统相应地提出了更高的要求。在列车运用中，车辆往往出现这样那样的动力学性能问题，究其原因，一是车辆减振系统的参数（包括刚度和阻尼）随着运用和时间的推移

3、发生了改变；二是悬挂件的刚度和阻尼值与振动的频率有关，到线路运行时，随着运行速度的提高，悬挂件运用在高频振动条件下，动刚度特征明显，导致车辆运行品质降低。所谓动刚度，即一定条件下，弹簧受到周期载荷作用时，弹簧产生单位弹性位移所需的[1][2,3]力，动刚度力的幅值/位移幅值=。有研究表明，橡胶件等减振元件动态特性很显著，而针对金属弹簧的动态特性往往被忽略，而实际上金属弹簧也有与橡胶件类似的特性。金属弹簧在现役机车车辆减振元件中有着广泛的应用：几乎所有的货车和超过半数的旅客列车的悬挂系统仍在运用金属弹簧。其在减振降噪方面扮演着相当重要的角色，

4、对车辆的舒适性和安全性也起着相当重要的作用，因此其动刚度的研究十分必要。本文就以金属弹簧最常用的圆柱螺旋弹簧为例，采用有限元法具体研究了金属螺旋弹簧的动态特性，动刚度对频率的响应。力图通过理论研究找到金属弹簧的动态特性，并通过试验进行验证。在此基础上，我们进一步研究簧载质量对弹簧动态特性的影响。1.动刚度特性的理论研究本文以铁路车辆用悬挂弹簧（如图1所示）为例，利用理论分析的方法，进行了金属螺旋弹簧的动刚度特性研究，发现其动刚度特性。1.1本文涉及弹簧的主要结构参数本文计算时所用弹簧为一机车车辆弹簧，具体类型为金属圆柱图1弹簧有限元模型1本

5、课题得到国家自然科学杰出青年基金资助项目(50525518)；国家重点基础研究发展计划“973计划”项目（2007CB714701）和教育部博士点基金资助项目（20040613006）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn螺旋弹簧，弹簧参数如表1所示机车车辆弹簧的结构参数。表1本文所用弹簧参数结构参数机车车辆弹簧实验弹簧簧丝直径d/mm5012弹簧外径D2/mm300144弹簧内径D1/mm200120弹簧中径D/mm250132有效圈数n511.5支承圈数nz1.51.5总圈数N=n+nz6.513自由高度H0/mm

6、540680节距t/mm102585静刚度Ks/(N/m)8.07×1078401.2建立弹簧的有限元模型本文的弹簧模型采取从下而上的建模方式。首先，利用螺旋线方程求出弹簧中心线关键点笛卡尔坐标，在柱坐标中把这些关键点连接成螺旋线，画一直径为50mm的圆，使圆绕螺旋线旋转得到两端未磨平的弹簧模型，在两端分别截去一部分，就得到我们想要的弹簧实[4]体模型。本文采用的有限元单元类型为6自由度的实体单元solid92，对上面得到的弹簧模型进行有限元网格划分，得到如图1所示的有限元模型。1.3固有频率计算通过有限元计算，得到了弹簧的固有频率，如表2

7、所列。表2弹簧的纵向固有模态表模态阶数频率/Hz振型图振型描述125.848一阶纵向固有频率275.86二阶纵向固有频率3120.78三阶纵向固有频率1.4动刚度分析我们对弹簧施加一个正弦激振力F=10000sinωt，其中ω为一可调激振圆频率。对应不同的激振圆频率ω，可计算得弹簧自由端的稳态响应为xB=sin(ωt−ϕ)。由有限元计算，可得到自由端的位移响应振幅B与激振频率f(f=ω/2π)的关系曲线B−f，如图2所示。-2-http://www.paper.edu.cn进而，可计算出弹簧动刚度Kd与激振频率f的关系曲线Kd-f，如图3所

8、示。0.1214m0.1113B/0.1012/(MN/m)d110.09K100.089位移幅值0.07动刚度80.0670.0560.0450.0340.0230.0120.