（光学工程专业论文）带箍结构空气弹簧非线性有限元分析及试验研究.pdf

t h et e s u p e r v i s o r p r o f e s s o rt a n g y i n g s h i s e n i o r e n g i n e e rh u a n gy o u j i a n o c t o b e r ，2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： e i 其睚i ：圳驴年1 2 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名： 导师签名： 彭多7 日期：伽l 。年i 1 - , q - 7 e l e l 期：凶。v 年i 卫月髟日 空气弹簧是车辆 应性，可以降低车辆 行的平稳性和乘座舒 辆上得到广泛的应用。随着对空气弹簧理论研究的不断深入，空气弹簧相继在航 空、船舶、精密仪器、纺织以及军事工业部门得到广泛的应用。 带箍结构空气弹簧项目是目前澳大利亚轨道车辆最大的招标项目，总标的销 售金额约为2 4 0 0 万元( 人民币) ，市场前景良好。项目的开发将在国内率先开发出 超大承载能力的带箍式空气弹簧系统，并建立空气弹簧弹性特性系统预测模型， 以便更好地指导空气弹簧产品的研制、开发。 对空气弹簧弹性特性的研究目前主要还是采用理论分析和试验测定的方法， 用有限元法分析空气弹簧特性还处在探索阶段。理论分析方法可以用解析法或图 解法对形状简单的空气弹簧计算出近似解。但对于形状复杂的空气弹簧，则计算 过于繁锁、精度不高、可操作性差，对实际工程应用的指导意义不大。 空气弹簧结构分析涉及了气囊和辅助弹簧材料的非线性、大变形带来的几何 非线性以及气囊与上盖板和辅助弹簧接触非线性，计算工作是比较复杂的、收敛 也相当困难。 本文运用了目前广泛使用的a b a q u s 有限元软件，建立带箍结构空气弹簧 的静态有限元模型来分析计算空气弹簧。为了更加精确地对其橡胶材料进行模拟， 对所用胶料配方试样进行了单轴拉伸实验、双轴拉伸实验和平面剪切实验，以实 验数据为基础，构建了橡胶材料的本构模型进行拟合；利用非线性有限元软件 a b a q u s 提供了处理加强结构的r e b a r 材料模型，用其模拟帘线复合材料的几何 和物理非线性具有极好的分析效果；应用a b a q u s 中符合流体静力学条件的充 腔气体单元模拟空气弹簧腔内气体。 由于空气弹簧的结构及其材料、接触条件复杂，因此影响其性能的因素很多。 本文利用有限元分析技术主要从空气弹簧辅助气室容积、内压、帘线角度、层数、 密度、上盖板角度的变化等因素方面，对空气弹簧垂向和横向性能的影响进行分 析和研究。 通过试验研究表明，本文所运用的计算方法是行之有效的，可以应用于类似 空气弹簧的性能分析，并将为新型空气弹簧的设计、研制开发提供了一定的理论 计算依据。 关键词：结构；空气弹簧；有限元；非线性 i i 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a i rs p r i n gi so n eo ft h em a jo rp a r to fv e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e m d u et o i t s e x c e l l e n tf l e x i b i l i t y ，h i g h 1 e v e la d a p t a b i l i t y ，g o o dv i b r a t i n ga b s o r p t i o na n di s o l a t i o n ， a i rs p r i n gc a nd e c r e a s et h en a t u r a lv i b r a t i n gf r e q u e n c yo fv e h i c l e sa n dh a v eag o o d e f f e c to nt h es t a t i o n a r ya n dc o m f o r to fv e h i c l e s t h u sa i rs p r i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e d o na u t oa n dr o l l i n gs t o c ki n d u s t r y a st h ed e v e l o p i n go fa i rs p r i n gr e s e a r c h ，a i rs p r i n g s y s t e mi sa p p l i c a t e ds u c c e e d e do no t h e rf l i e d s s u c ha sa v i a t i o n ，m a r i n e ，p r e c i s i o n i n s t r u m e n t s ，t e x t i l e sa n dm i l i t a r y - i n d u s t r y t h eb e l t e da i r s p r i n g i s c u r r e n t l y t h e b i g g e s tb i d d i n gp r o je c t o fa u s t r a l i a r a i l w a y t h et o t a lb i d d i n ga m o u n ti s a b o u t2 4m i l l i o nr m b i th a sag o o dm a r k e t p r o s p e c t s t h ed e v e l o p i n g o ft h i sp r o je c tw i l lt a k et h el e a di nd e s i g n i n gb e l t e da i r s p r i n gw i t hh i g hl o a dc a p a c i t yi nd o m e s t i c ，a n dw i l l e s t a b l i s ha i rs p r i n gp r e d i c t i o n m o d e ls oa st oc o n d u c tt h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o no ft h i sk i n do fa i rs p r i n gb e t t e r p r e s e n t l yt h es t u d y o fa i rs p r i n gs y s t e mi sm a i n l yb a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l v s i sa n dt e s tm e a s u r e m e n t t h ef e am e t h o di ss t i l li ni t se x p l o r i n gs t a g e i nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea n a l y t i c a lm e t h o da n dg r a p h i c a lm e t h o d c a nb eu s e dt o c a l c u l a t ea p p r o x i m a t es o l u t i o no nt h es i m p l ea i rs p r i n g b u t o nac o m p l i c a t e da i r s p r i n g ，t h ec a l c u l a t i o ni st oc u m b e r s o m ea n dw i l lr e s u l ti np o o ro p e r a b i l i t ya n dl o w a c c u r a c y ，w h i c hm a k e sl e s sg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo ni t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t r u c t u r a la n a l y s i so fa i rs p r i n gi n v o l v e st h em a t e r i a ln o n l i n e a r i t yo fa i rb a ga n d a u x i l i a r ys p r i n g ，g e o m e t r i cn o n l i n e a r i t y c a u s e db y l a r g e d e f o r m a t i o na n d t h e c o n t a c t i n g n o n l i n e a rb e t w e e na i rb a gw i t ht o pp a t e a n da u x i l i a r y s p r i n g l h e 一一t c a l c u l a t i o n sa r ev e r yc o m p l i c a t e da n dh a r tt og e tc o n v e r g e n c e i nt h i sp a p e r ，t h ec u r r e n tw i d e s p r e a df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u si su s e dt o e s t a b l i s ht h es t a t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb e l t e da i rs p r i n gf o rc a l c u l a t i o n i no r d e r t os i m u l a t et h er u b b e rm o r ea c c u r a t e l y ，t h eu n i a x i a lt e n s i l et e s t ，b i a x i a l t e n s i l et e s t a n dp l a n es h e a rt e s tw e r ec a r r i e do u to nt h er u b b e ru s e di nt h i sa i rs p r i n g t h e nt h e c o n s t i t u t i v em o d e lo ft h er u b b e ri sm a d eb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a u s i n gt h er e b a rm a t e r i a lm o d e lp r o v i d e db yn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e a b a q u st os i m u l a t et h et i ec o r dc o m p o s i t e sg e o m e t r i ca n dp h y s i c a l n o n - l i n e a r a n a l y s i sc a ng e te x c e l l e n tr e s u l t s u s i n g t h eg a se l e m e n tt a l l i e dw i t hh y d r o s t a t i c c o n d i t i o ni nt h ea b a q u s t os i m u l a t et h ea i ri nt h ea i rs p r i n g i i i i v 学位论文原 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪 1 1 空气弹簧国内外应用、研究现状及发展趋势1 1 2 工程背景及意义3 1 3 论文的主要研究内容3 第2 章空气弹簧及车辆悬挂系统。5 2 1 空气弹簧在车辆悬挂系统中的应用及工作原理。5 2 1 1 空气弹簧在车辆悬挂系统中的应用5 2 1 2 空气弹簧在车辆悬挂系统中的工作原理5 2 2 空气弹簧结构特点和分类6 2 2 1 空气弹簧的结构和特点6 2 2 2 空气弹簧的分类及应用9 2 3 空气弹簧的基本理论1 4 2 3 1 空气弹簧的垂向性能。2 1 4 2 3 2 空气弹簧的横向性能1 6 2 3 3 空气弹簧的刚度计算1 6 2 4 本章小结2 5 第3 章带箍结构空气弹簧有限元模型的建立2 6 3 1a b a q u s 分析软件简介2 6 3 2 非线性分析简介2 6 3 2 1 非线性概述2 6 3 2 2 非线性分析类型2 7 3 2 3 非线性分析的方法2 8 3 2 4 非线性分析的基本步骤3 0 3 3 带箍结构空气弹簧分析计算中的难点3 2 3 1 3 1 空气弹簧接触特性和系统特性的耦合3 2 3 3 2 带箍结构对计算收敛性的影响3 2 3 4 空气弹簧系统有限元模型的建立。3 3 3 4 1 橡胶气囊3 3 v 一一一 _ 带箍结f , j 空气弹簧非线性有限元分析及试验研究 詈= 皇皇皇= ! 詈! 皇= = ! = ! = ! = = 皇= = 皇= = = 皇= = = ! ! ! ! = 竺= = = = = 竺! = ! = = = = = 苎! = ! ! = = 皇= = 竺= = = ! = ! 皇詈! = 皇! = 篁! ! = = 皇= 皇= = 暑! = 鲁皇= 詈葛詈= 3 4 2 气囊复合材料结构及几何非线性。3 7 3 4 3 橡胶气囊中间箍结构的处理3 8 3 4 4 空气弹簧腔内气体3 8 3 4 5 辅助弹簧二3 9 3 4 6 接触非线性4 0 3 4 7 约束和加载4 1 3 4 8 空气弹簧特性有限元模型的建立4 1 3 5 本章小结4 8 第4 章带箍结构空气弹簧性能分析及试验4 9 4 1 空气弹簧的垂向性能有限元分析4 9 4 2 空气弹簧的横向性能有限元分析4 9 4 3 附加气室容积对空气弹簧垂向性能的影响5 0 4 4 内压对空气弹簧承载能力的影响5 1 4 5 帘线角度对空气弹簧性能的影响5 2 4 5 1 不同帘线角度对空气弹簧垂向特性的影响。5 2 4 5 2 不同帘线角度对空气弹簧横向特性的影响5 3 4 6 帘布层数对空气弹簧性能的影响，5 3 4 7 帘线密度对空气弹簧性能的影响5 4 4 7 1 不同帘线密度对空气弹簧垂向特性的影响5 5 4 7 2 不同帘线密度对空气弹簧横向特性的影响5 5 4 8 上盖板角度对空气弹簧性能的影响5 6 4 8 1 不同上盖板角度对空气弹簧垂向特性的影响5 6 4 8 2 不同上盖板角度对空气弹簧横向特性的影响5 6 4 9 辅助弹簧橡胶材料硬度对空气弹簧刚度性能的影响5 7 4 9 1 橡胶材料硬度对空气弹簧垂向刚度的影响5 7 4 9 2 橡胶材料硬度对空气弹簧横向刚度的影响一5 8 4 1 0 试验设备及试验验证和结果5 8 4 10 1 试验设备58 4 1 0 2 试验验证及结果5 9 4 1 0 3 试验小结6 1 4 1 1 本章小结6 1 结论与展望6 2 参考文献6 4 致谢6 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文和获得的专利目录6 7 v i 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 空气弹簧国内外应用、研究现状及发展趋势 1 8 4 7 年，j o h nl e w i s 发明了空气弹簧。此后，w i l l i a mrf e e 、h o a g l a n diw 和a l s o pg o r g em 等人通过研究和改进设计，解决了空气弹簧的密封性问题。2 0 世纪3 0 年代初，费尔斯通公司( f i r e s t o n e ) 第一次将空气弹簧用于汽车上。h a r v e y f i r e s t o n e 在h e n r yf o r di 和t h o m a sa l v ae d i s o n 的技术支持下，于1 9 3 4 年研制出 了空气柱形式的空气弹簧悬架系统。1 9 4 4 年，美国通用汽车公司( g m ) 与费尔 斯通公司合作，首次将空气弹簧运用于客车上进行试验，试验结果显示了空气悬 架的内在优越性。2 0 世纪5 0 年代，随着高分子合成物的发展，特别是合成人造 橡胶的出现，空气弹簧才在车辆上得到实际应用。经过多年空气弹簧产品的研发 和试验，1 9 4 7 年美国在普尔曼车辆上首先采用了空气弹簧。1 9 5 3 年通用汽车公司 开始生产装备空气悬架的公路客车，标志着空气弹簧在商用车上应用的开始，随 后空气悬架技术研究在联邦德国、意大利、英国、法国等许多欧洲国家也得到了 迅速发展。1 9 5 5 年，联邦德国也开始生产装备空气悬架的客车；到1 9 6 4 年，联 邦德国生产的5 5 种大中型客车中，已有3 8 种装备了空气悬架。由此，空气弹簧 在客车上的应用开始得到推广。 2 0 世纪8 0 年代以来，为减少重型货车对高速公路路面的破坏，发达国家对 车辆与道路相互作用的机理进行了深入的研究。研究表明，重型货车上使用空气 弹簧悬架系统可降低车辆的动载荷，从而减少对道路的破坏，并提出了道路友好 悬架的概念。1 9 9 2 年，欧共体9 2 7 e e c 法规定义了道路友好悬架的标准和检测 方法，为空气悬架在商用车上的推广提供了依据1 1 】。时至今日，空气弹簧在发达 国家的商用车上己得到了广泛应用，其中在客车上的普及率己接近1 0 0 ，重型 货车上的普及率也已达到8 0 。在奥迪a 8 、奔驰$ 6 0 0 和保时捷等高级乘用车上 空气弹簧也得到了广泛应用。 我国早在2 0 世纪5 0 年就对空气弹簧进行了研究。那时，我国空气弹簧的研 究侧重于铁路车辆和造纸工业的配套和应用，1 9 5 8 年，沈阳机车车辆厂在试制的 “东风号”客车上，首次装用了空气弹簧。 1 9 5 7 年，在郭孔辉院士的领导下，当时的长春汽车研究所对空气弹簧悬架系 统做了大量的研究和试验工作，积累了一些经验。自2 0 世纪8 0 年代以来，我国 部分科研院所、高校和企业对空气弹簧进行了大量的研制，空气弹簧生产企业的 生产规模还很小，空气弹簧质量还需进一步提高。从总体上来看，我们在空气弹 带箍结构空气弹簧非线性有限元分析及试验研究 簧在设计、制造和检测上与发达国家相比还有相当大的差距。 随着空气悬架应用的推广，空气弹簧的研究受到重视。e v a n sjr 等人深入研 究了空气弹簧在火车上的应用，于1 9 7 0 年进行了空气弹簧垂向特性试验，建立了 空气弹簧垂向动态特性模型；于1 9 9 4 年完成了空气弹簧的侧向特性试验，在大频 率和大振幅条件下测量了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和形变，并通过正弦波 和锯齿波输入来观察侧向力和形变变化速度对侧向特性的影响 2 1 。g i u s e p eq 等 对带有辅助气室的空气弹簧进行了试验研究和理论分析，并进行了计算机模拟试 验，探讨了空气弹簧悬架主要参数对悬架振动特性的影响 3 1 。k a t s u y ay o y o f u k u 等通过研究振动频率与空气弹簧响应之间的关系，分析了管道和辅助气室对空气 弹簧特性变化的影响 4 1 。a l fh 采用有限元法优化了空气弹簧结构，提出了空气弹 簧设计的新思路【5 】。y s u d a ，w w a n g 等对车辆空气弹簧悬挂系统对防止轮对减 载及控制进行了研究 6 1 。s h o g ok a m o s h i t a ，k i m i a k is a s a k i 等对空气弹簧在车 辆倾摆系统上的控制进行了分析【7 】。营原、能生等对空气弹簧内部可调阻尼力降 低车辆垂向振动进行了试验研究【8 】。 我国空气弹簧的研究始于2 0 世纪5 0 年代 9 1 。 1 0 1 ，近十几年来空气弹簧的研究 进一步深入。丁良旭对空气弹簧的性能进行了计算机模拟，拟合了空气弹簧的特 性曲线 1 1 1 。陈燕虹等对大型客车空气弹簧动态特性进行了试验分析【1 2 】。李芾等对 铁路车辆转向架用空气弹簧动力学特性进行了研究，分析了影响空气弹簧性能的 主要因素【1 3 】。赵洪伦、张广世用有限元法对空气弹簧横向特性进行了研究【1 4 】。兰 艳，蔡海涛，王成国等对轨道提速客车用空气弹簧力学特性的非线性进行了有限 元模拟仿真 1 5 】。刘宏伟，庄德军，陈燕红等对汽车空气弹簧刚度非线性特性进行 了有限元分析【1 6 】。陈灿辉等对商用车空气弹簧进行了非线性有限元分析，分析结 果与试验结果基本吻合 1 7 1 。叶珍霞，朱海潮，鲁克明等对囊式空气弹簧刚度特性 进行了非线性有限元分析【1 8 】。周劲松、徐伟等运用有限元分析技术对空气弹簧进 行应力、模态分析；周孔亢、吴琳琪等用a b a q u s 软件对车用膜式空气弹簧囊 体帘线受力进行分析，为空气弹簧的设计提供了经济有效的方法【1 9 】- 【2 0 】。张利国、 张嘉钟、徐敏强等对大型飞机机载设备隔振系统上的空气弹簧的材料非线性、接 触非线性进行了分析，利用m s c m a r c 软件对约束膜式空气弹簧的垂向刚度进行 了数值仿真。结果表明：空气弹簧垂向刚度呈现非线性特征 2 1 1 。 国外主要的空气弹簧生产商有德国的大陆公司( 康迪泰克) 公司、美国的费 尔斯通公司和固特异公司、日本东洋和住友公司等，其产品品种齐全，适用范围 广，性能和外观均优于国内产品。同时，凭借制定空气弹簧国际技术标准的优势， 这些公司正在加快其生产技术的发展。 我国规模化生产铁路车辆用空气弹簧的企业主要有株洲电力机车研究所时代 新材料科技股份有限公司、青岛四方机车车辆研究所减振技术有限公司、铁道科 2 工程硕士学位论文 学研究院；能小规模化生产商用车空气弹簧的企业主要有贵州前进橡胶有限公司、 西北橡胶厂、广州益韬公司。为改变空气弹簧依赖进口的状况，我国空气弹簧生 产企业通过吸收引进技术，不断开发出具有自主知识产权并适用于我国道路运输 特点的产品。目前，我国部分空气弹簧产品性能已接近或达到国外同类产品水平， 同时还有许多空气弹簧研究和生产建设项目正在展开。可以预见，随着对空气弹 簧研究进一步的深入，在不久的将来我国空气弹簧生产企业的生产规模将迅速扩 大，生产技术及产品质量将全面提高。 1 2 工程背景及意义 空气弹簧做为车辆空气悬挂系统的关键部件，具有优良的弹性特性和良好的 高度自适应性，可以降低车辆的自振频率，确保车辆的地板面高度不随载荷的变 化而变化，且有良好的吸振、隔振性能等，对提高车辆的乘座舒适性和减小噪声 有较好的效果。在发达国家的高速铁路车辆( 如t g v 、a g v 、i c e 3 5 0 e 、新干线 7 0 0 和f a s t e c h 3 6 0 s 等) 、城轨车辆和公路客车、货车上得到了广泛应用。 2 0 世纪9 0 年代后期，我国铁路进入高速化和全面提速时期。目前，随着铁 路车辆的轻量化、高速化发展，在提速和高速车以及动车组c r h l 、c r h 2 、c r h 3 、 c r h 5 上广泛采用空气弹簧，使空气弹簧在我国轨道车辆上的应用进入新的阶段。 我国铁道车辆每年需新购空气弹簧2 0 0 0 0 套左右。每年需从日本和德国的公 司进口部分空气弹簧。并且汽车空气弹簧绝大部分依赖于国外进口。铁道车辆用 空气弹簧进口产品市场售价均在万元以上，通过自行研制开发和生产，成本可以 大幅降低。因此空气弹簧的非线性弹性特性有限元分析及试验研究不仅具有重要 的理论意义，而且还可以产生巨大的经济效益。 带箍结构空气弹簧项目是目前澳大利亚轨道车辆最大的招标项目，总标的包 括6 6 6 辆车，共计1 3 3 2 套空气弹簧，总销售金额约为2 4 0 0 万元( 人民币) ，市场前景 良好。项目的启动将在国内率先开发出超大承载能力的带箍式空气弹簧系统，并 建立空气弹簧弹性特性系统预测模型，以便更好地指导空气弹簧产品的研制、开 发。本项目研究具有良好的经济和社会效益。 1 3 论文的主要研究内容 随着计算机技术的迅猛发展和工程力学有限元分析理论的不断完善，空气弹 簧的研究、设计开发已转向用计算机虚拟设计与试验结合的方向上来。目前，欧 美、日本等国家的研究机构都已运用计算机虚拟技术的方法来研制开发空气弹簧 系统。在空气弹簧的有限元计算和控制理论方面已取得丰硕的成果。国内虽然也 对空气弹簧进行了研究，同时也取得一定的成果。对空气弹簧弹性特性的研究主 带箍结构空气弹簧非线性有限元分析及试验研究 要还是采用理论分析和试验测定的方法，用有限元法分析空气弹簧特性还处在探 索阶段。理论分析方法可以用解析法或图解法对形状简单的空气弹簧计算出近似 解。但对于形状复杂的空气弹簧，则计算过于繁锁、精度不高、可操作性差，对 实际工程应用的指导意义不大。而且，理论分析方法得出的解析解难以深入分析 非线性因素对空气弹簧力学性能的影响。试验方法受试验条件和试验环境限制， 并且研制开发周期长；应用数学模型的方法也存在一定的局限性，在建模时需要 对空气弹簧进行预先的假设，假设在振动过程中，空气弹簧的径向和轴向长度保 持不变，而实际工作过程中，空气弹簧的径向和轴向长度都发生变化，要想合理 的模拟空气弹簧，需要通过试验方法寻找一些修正系数对其进行修正。应用数值 计算方法可以避免传统数学计算中的假设条件，并且可以比较真实地虚拟空气弹 簧。本文用a b a q u s 非线性有限元软件对带箍结构空气弹簧特性进行分析，该 软件在空气弹簧气体压力的定义有别于其它非线性有限元软件，其区别在于 a b a q u s 软件具有符合流体静力学条件的充腔流体单元，该流体单元可以使结构 变形和作用在边界上的流体压力之间相互耦合，能够真实地再现空气弹簧在振动 过程中腔内气体压力的变化。非线性有限元软件a b a q u s 还提供了处理加强结 构的r e b a r 材料单元模型，用其模拟帘线复合材料的几何和物理非线性具有极好 的分析效果。 本文的主要研究内容：1 建立带箍结构空气弹簧的非线性有限元模型：建立 充分考虑充气状态气囊与上盖板、辅助弹簧所组成的系统的三维有限元分析模型； 建立气囊与上盖板、辅助弹簧接触的三维有限元模型；2 讨论模型中的各种非 线性成分，并建立非线性模型；3 利用有限元模型对加载后的空气弹簧有限元模型 做变形、刚度性能分析；4 分析主要参数( 如内压、帘线角等) 在接触状态下空 气弹簧的变形、刚度性能的影响；5 通过分析优化，寻求满足空气弹簧性能技术 要求的设计、工艺参数；6 进行空气弹簧刚度实验设计及验证。 4 工程硕士学位论文 第2 章空气弹簧及车辆悬挂系统 2 1 空气弹簧在车辆悬挂系统中的应用及工作原理 2 1 1 空气弹簧在车辆悬挂系统中的应用 空气弹簧是在柔性密闭容器中加入空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用 的一种非金属弹簧。它具有优良的弹性特性，用在车辆悬挂装置中可以改善车辆 的动力学性能，从而显著提高其运行舒适性。所以，空气弹簧在铁路和汽车车辆 上得到广泛的应用，如图2 1 ( a ) 和( b ) 所示。 图2 1 空气弹簧在铁路车辆转向架上的应用( a ) 图2 1 空气弹簧在汽车车辆悬挂上的应用( b ) 2 1 2 空气弹簧在车辆悬挂系统中的工作原理 车辆空气弹簧悬挂系统主要由空气弹簧系统、减振元件和高度控制阀系统三 部分组成，如图2 2 所示。其基本原理为：车体1 和转向架之间的空气弹簧6 通 过导气管与附加气室沟通。用风管将附加空气室和高度控制阀3 连接。高度阀固 带箍结构空气弹簧非线性有限元分析及试验研究 定在车体上，并通过杠杆2 和拉杆4 与转向架连接。空气经主风缸流向高度控制 阀。 6 5 1 一车体2 杠杆3 一高度控制阀4 拉杠5 垂向减振器6 一空气弹簧 图2 2 车辆悬挂系统结构图 假定空气弹簧上的载荷增加，这时车体将下降，并且高度控制阀的杠杆在拉 杆的作用下按顺时针方向转动，因此与主风缸连接的高度控制阀的进气阀被打开。 这时，空气因压力压差而开始流入附加空气室和空气弹簧，一直到车体升高到原 来的位置为止。于是杠杆恢复到原来的水平位置，此时高度控制阀的进气阀被关 闭。 假定空气弹簧上的载荷减少，这时车体将上升，并且高度控制阀的杠杆按反 时针方向转动，通往大气的高度控制阀的排气阀被打开，空气从空气弹簧和附加 空气室排出，一直到车体升降低到原来的位置，并且排气阀被关闭。 所以在高度控制阀的作用下，空气弹簧的高度可以保持不变。除了图2 2 中 的杠杆机械式高度控制阀外，还有一种电磁式高度控制阀。电磁式高度控制阀的 主要特点是作用灵敏和调整高度迅速。 2 2 空气弹簧结构特点和分类 2 2 1 空气弹簧的结构和特点 ( 1 ) 空气弹簧的结构：典型的空气弹簧结构如图2 3 ( a ) 和( b ) 所示，整个 系统主要由三部分组成：上盖板、橡胶帘线气囊、辅助弹簧或底座。如图2 4 所 6 工程硕士学位论文 示，空气弹簧橡胶气囊都是由帘线层、内外橡胶层和成型钢丝圈硫化而成的。空 气弹簧上载荷主要由帘线承受，帘线的材质对空气弹簧的耐压性能和耐久性起决 定性作用。因此，通常采用高强度的人选丝，尼龙或卡普隆作为帘线。帘线的层 数一般为二的偶数倍，通常为二层、四层或六层，层层相交叉并且和气囊的经线 方向成一角度布置。内层橡胶主要用以密封，因此采用气密性和耐油性较好的橡 胶。而外层橡除了密封外，还起保护作用。因此，外层橡胶还应考虑能抗热老化、 紫外线和臭氧的老化，一般采用氯丁橡胶。 2 1 气囊、2 上盖板、3 辅助弹簧 图2 3 ( a ) 一种铁路空气弹簧结构示意图 1 气囊、2 上盖板、3 底座 图2 3 ( b ) 一种汽车空气弹簧结构示意图 3 1 钢丝圈、2 内层橡胶、3 - 夕 层橡胶、4 第l 层帘线、5 、第2 层帘线 图2 4 空气弹簧气囊结构 ( 2 ) 空气弹簧的特点 从上述工作原理，可以看出空气弹簧具有以下特点： ( 1 ) 可以利用高度控制系统，使空气弹簧在任何载荷条件下保持一定的工作 高度。这一对载荷变化大的车辆十分有利，如城市公交车和城市轨道交通铁路车 7 带箍结构空气弹簧非线性有限元分析及试验研究 辆。 ( 2 ) 空气弹簧的刚度是随载荷变化的，因而在任何载荷下自振频率几乎不 变。而普通钢弹簧，因其刚度是不变的，所以它的自振频率范围较宽，并随着载 荷的变化而变化。 图2 5 是钢弹簧和空气弹簧的静特性比较，图( a ) 为载荷一挠度特性，图( b ) 为载荷一频率特性。由图可以看出，对于普通钢弹簧，静挠度随载荷增加而增加； 而对于带高度控制阀的空气弹簧，静挠度在所有载荷条件下都几乎保持不变，因 而其自振频率也几乎不变。 载荷， ， 设 宅气弹簧， 计 ， 7 耋 7 ，、镪弹麓 ，j 7 ， ，i ，7 ，7 位移一 频率。 图2 5 ( a ) 载荷一挠度特性图2 5 ( b ) 载荷一频率特性 ( 3 ) 空气弹簧具有非线性特性，可以将它的特性曲线设计成理想的形状。如 在车辆悬挂装置中最理想的形状是s 形，即在曲线的中间区具有比较低的刚度， 而在拉伸和压缩行程的边缘区段刚度逐渐增加。这样可以保证车辆在正常行车时 运行性能很柔软，而在通过曲线和道岔等偶然情况下，空气弹簧被大幅度拉伸和 压缩时，它逐渐坚硬，从而能限制车体的振动。而普通钢弹簧，它的特性曲线是 线性的，要使这种弹簧悬挂装置具有上述非线性特性，势必要使结构复杂化。要 达到1 h z 的固有频率需要有2 5 4 m m 的当量静挠度一这认为是车辆的最优设计， 悬架必须提供足够的挠度预留行程才能吸收冲击产生的加速度而不至于撞击到悬 架的限位装置，然而这是普通钢弹簧难以实现的 2 2 1 。图2 6 为钢弹簧和空气弹簧 的动载荷一挠度特性比较。 8 图2 6 钢弹簧和空气弹簧的动特性 ( 4 ) 空气弹簧的刚度，不管载重量多少，都可以依靠改变空气压力加以选择， 因此可以根据需要将刚度选择很低。例如用增加附加空气室的办法增加其内容积， 可以使刚度减少。 ( 5 ) 对于同样大小的空气弹簧，当内压力改变时，可以得不同的承载能力。 这使得同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求，因此经济效果显著。此外，还 可以通过高度控制阀的作用，使空气弹簧在一定的载荷下具有不同的高度。因此， 能适应多种结构上的要求。 ( 6 ) 吸收高频振动和隔音降噪性能优越。 ( 7 ) 同一空气弹簧在承受垂向载荷的同时，也能承受横向和纵向载荷，因而 能起多方向的缓冲作用。 ( 8 ) 在承受剧烈的振动载荷时，空气弹簧较钢弹簧的使用寿命长。 2 2 2 空气弹簧的分类及应用 空气弹簧大致分为囊式和膜式两大类。 ( 1 ) 囊式空气弹簧 囊式空气弹簧的优点是寿命长，制造工艺简单。缺点是刚度大，振动频率高， 要得到比较柔软的特性，需要较大的附加空气室。 囊式空气弹簧可以根据需要设计成单曲、双曲或多曲的。理论上，在相同的 容积下，曲数越多，刚度越低。但考虑到多曲空气弹簧的制造工艺比较复杂，而 且弹性稳定性也较差，因此曲数一般不超过四曲。我国过去铁道车辆、纺织、造 纸行业用的囊式空气弹簧就是双曲或三曲的，如图2 7 所示t 9 带箍结构空气弹簧非线性有限元分析及试验研究 图2 7 囊式空气弹簧结构示意图 ( 2 ) 膜式空气弹簧 膜式空气弹簧的优点是刚度小、振动频率低、特性曲线的形状容易控制。缺 点是由于橡胶气囊的工作情况较为复杂，耐久性比囊式空气弹簧差。 膜式空气弹簧又可以分为约束膜式、自由膜式两大类。自由膜式又可以分别 滚膜式、带箍结构膜式空气弹簧等。 1 ) 约束膜式空气弹簧 约束膜式空气弹簧有一个约束裙( 或外筒) ，以限制气囊向外扩张，使它的曲挠 部分集中在约束裙和活塞( 即内筒) 之间变化。 如图2 8 ( a ) 和( b ) 所示铁道车辆上采用的直筒和斜筒约束膜式空气弹簧的 结构图，是由橡胶气囊，外筒和内筒组成。 外筒。橡胶止挡 i - i 甾型。毕嚣 ( a ) 直筒式约束膜式空气弹簧 ( b ) 斜筒式约束膜式空气弹簧 图2 8 约束膜式空气弹簧结构示意图 l o 工程硕上学位论文 约束膜式空气弹簧，其变形时其有效 糖 面积的变化特性决定于约束裙和活塞( 内 搽 外筒) 的形状。所以可将内外筒设计成不 同的形状，以获得所需要的弹簧特性。如 图2 9 所示，图a 对于变形的增减有软化 嫠 键 的趋势，是不理想的，而图b 则与前者相 反，它对于变形的增加有硬化的趋势。后 魁 岳拄杜皂比绱御相的r 形曲缝盲篇幺勺市 本保持不变。 图2 9 内外筒形状对弹性特性的影响 2 ) 自由膜式空气弹簧 自由膜式空气弹簧的有效面积的变化规律比约束膜式空气弹簧要复杂得多， 因为其奏效面积决定于气囊在每一位置时，在内压作用下的几何形状。此外，橡 胶气囊的初始状态、帘线的布置角度( 帘线角度) 等有效面积的变化特性都有重 要的影响。如果活塞的运动轨迹不和空气弹簧橡胶气囊的轴线一致的话，则有效 面积的变化特性还和弹簧系统装置的运动学有关，如图2 1 0 ( a ) 和( b ) 分别是 应用在汽车车辆驾驶室和座椅上的自由膜式空气弹簧。自由膜式空气弹簧也可以 用改变活塞形状的方法来控制有效面积的变化规律，以达到比较理想的弹性特性 ( b ) 图2 1 0 应用在汽车车辆驾驶室和座椅上的自由膜式空气弹簧 ， 3 ) 滚膜式空气弹簧 图2 1 1 是滚膜式空气弹簧简图，图a 是自由状态时的橡胶一帘线气囊膜，当 空气充入弹簧后，膜的直径开始急剧增加，当达到一定数值后接近于常数。当弹 簧开始工作时，活塞进入滚膜里，并且发生滚卷( 图b ) ，图2 1 2 是滚膜式空气 弹簧的静特性曲线。图a 是滚膜式空气弹簧的位移载荷曲线，图b 是位移一内压 的变化曲线。从图中可以看出，在工作行程的中间区段，曲线比较平缓，它具有 s 形状的特性。虽然没有附加空气室，但是在中间区段( 工作高度下静态位置附 带箍结构窄气弹簧非线性有限元分析及试验研究 近) 空气弹簧的刚度也较低。图2 1 3 是滚膜式空气弹簧特性有效面积a e 和载荷 f d 与活塞形状的关系示意图。 ( a ) 自由状态 图2 i i 滚膜式空气弹簧简图 ，f 广 ， 卢 ， ，。 。 r ， ， ，一 | ，。 ， ， 一_ ，一 ， ， ，。、 j，j ， 。 ( b ) 工作状态 ，。 广 ， 。 ， ， | v 1r j 2 一 。 。 y ， r 一 i 一 一 夕 r 一 ，一 “， i ， 一 - i i o - 7 0 - 卯3 0 - i o1 03 0 卯7 0 1 1 0 s ( 衄) ( a ) 位移一载荷曲线( b ) 位移内压 图2 1 2 滚膜式空气弹簧静特性曲线 1 2 丁程硕士学位论文 图2 1 3 滚膜式空气弹簧特性与活墨形态的关系不慝图 滚膜式空气弹簧和其它膜式空气弹簧比较，优点是可以减小直径的尺寸。由 于膜的弯曲半径小，它的有效直径按近于膜的外径，因此在给定载荷下