带附加气室空气弹簧性能试验系统的搭建与试验研究.pdfVIP

第 48 卷第 4 期 2 0 12 年2 月 机械工程学报 JO U R N A L 0 F M E C H A N IC A L EN G IN E E R IN G V o 1 4 8 N 0 4 F eb 2 0 1 2 D o I 10 390 1 J ME 2 012 04 09 8 带附加气室空气弹簧性能试验系统的搭建 与试验研究术 李仲兴 李 美 郭继伟 沈旭峰 周孔亢 f江苏大学汽车与交通工程学院镇江2 120 13 摘要 针对主 附气室通过管路连接的空气弹簧工作过程复杂性及其特殊的非线性 搭建带附加气室空气弹簧特性试验系统 进行不同附加气室容积和不同连接管路直径的空气弹簧特性试验研究 设计出基于 L abV i ew的测试软件 通过数据采集系 统测得弹簧作用力 弹簧位移和弹簧内部气体压力 针对四种容积的附加气室 四种内径的连接管路和四种初始气压在 O 5 10 0 H z 激振频率范围内对空气弹簧特性进行台架试验 试验分析各影响因素对弹簧特性的影响规律 并探讨各因素的影响 机理 试验结果表明 试验的可变因素对空气弹簧特性具有不同程度的影响 附加气室容积和连接管路管径的增大会降低空 气弹簧的动刚度 但附加气室容积对动刚度的影响程度还受主附气室容积比的影响 弹簧内初始气压和激振频率的增加会增 大弹簧动刚度 台架试验可以为带附加气室空气弹簧的设计及应用提供依据 关键词 空气弹簧附加气室动刚度试验台连接管路 中图分类号 U 463 N o vel T est P latfo rm an d P erfo rm an c e Test Stu d y on A i r Sp ri n g w i th A u xi li ary C h a m b er L I Z hongxi ng L I M ei G U O Ji w ei SH E N X ufeng Z H O U K ongkang Sc hool ofA utom oti ve and Traffic Engi neeri ng Ji angsu U ni versi ty Z henji ang 2120 13 A b strac t In vi ew of w ork proc ess c om plexi ty o f th e ai r sp ri n g w i th aux i li ary c h am b er c o nn ec ted w i th p i p e an d i ts spec i al n on li ne ar c h arac teristi c s a test p latform fo r the ai r spri ng w i th au xi li ary c h am b er i s d evelop ed T h e c harac teristi c s o f ai r spring w i th d i ff eren t c h am ber o r di ff eren t p i p e are tested A n d test so ftw are based Off L ab V i ew i s d evelop ed Sp ri n g fo rc e d i sp lac em ent an d i n terna l ai r p ressure c an b e m easur ed w i th data ac q ui si ti on system s T he dy n am i c c h arac teristi c s o f ai r spri ng w i th 4 di ff erent v olu m e c hambe rs 4 d i ff eren t c onn ec ti n g p i p e di am eters and 4 d i ff eren t p ressu res i n si de ai r spri n g i n exc i ti ng fr eq uen c y ran g e o f 0 5 10 0 H z are tested A n ex perim ental an aly si s i s c arri ed ou t to fi n d o u t the i n fl u enc e o f the i n volved fac tors on th e c h arac teristi c s o f the spring an d th e i n fl u en c i n g m ec h ani sm i s an alyzed T h e ex perim ental resu lts sho w th at testi n g v ariab les h av e di ff eren t i nfl uen c e on c h arac teri sti c s o f ai r sp ri n g A s th e vo lu m e o f th e au xi li ary c ham b er and d i am eter of th e c onn ec ti n g p i p e i nc rea se the sprin g d yn am i c sti ffn ess w i ll d ec rease ac c ordi n g ly ho w ever w h en the aux i li ary vo lu m e di ff ers ho w m u c h c an i t i n fl u enc e the sp ri n g d yn am i c sti ff ne ss sti ll d ep en ds on th e v olum e rate b etw een the ai r sp ri n g and the aux i li ary c h am b er an d the sp ri n g dy n am i c sti ff n e ss w i ll ri se w i th the i ni ti al p ressure i n th e ai r sprin g and th e exc i tati on fr equ enc y i n c rease So th e b enc h test c arl p rov i de a ba si s fo r th e de si gn an d th e app li c ati o n of ai r sp ri n g w i th auxi li ary c h am ber K ey w o rd s A i r spri ng A uxi li ary c ham b er D y nam i c sti ff n ess T est p latfo rm C onn ec ti n g p i p e 0前言 空气弹簧作为空气悬架系统的重要组成部分 国家 自然科学基金 51075190 教育部博士点基金 20103227110010 江苏省研究生培养创新工程 CX 10B 2 69Z 5 助项 目 20110808 收到初 稿 20111128 收到修改稿 其性能影响整个悬架系统的特性 而悬架系统的性 能又直接影响车辆 的行驶平顺性 乘坐舒适性及道 路友好性等 工程上 为改善空气悬架系统性能 提高空气悬架系统对车辆行驶工况的适应性 同时 实现悬架系统刚度和阻尼的调节 采用带有附加气 室的空气弹簧作为悬架系统的主要弹性元件L1五 即 在空气弹簧上增设附加空气室 通过管路将主 附 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 20 12 年 2 月 李仲兴等 带 附加气室 空气 弹簧 性能试验系统的搭建与试验研究 气室相连接 增加了空气弹簧的容积 可进一步降 低弹簧刚度 带附加气室 的空气弹簧在工作过程 中 主 附气室间存在压力差 使弹簧内部气体在主 附气室间相互交换 影响了弹簧 的振动特性 近年 来国内外学者通过理论分析和试验研究等对带附加 气室的空气弹簧进行 了大量研究 并取得 了一些有 价值 的研究成果 3 这些成果对进一步研 究带附 加气室的空气弹簧提供了重要 的理论和试验依据 文献 7 指出了附加气室的容积对弹簧特性影响 文 献 1 51提到 了主 附气室连接 孔孔径对弹簧特性的 影响 由于带附加气室空气弹簧系统特殊的非线性 特性 研究中常将主附气室间的连接管路简化成小 孔 而未考虑连接管路的影响 但是连接管路对弹 簧特性有较大的影响 因此 开展空气弹簧主附气 室 间带有连接管路的空气弹簧性能的研究具有一定 的理论意义和实用价值 为 了揭示管路连 接 的带 附加 气室空气弹簧特 性 的影响因素 针对某款空气弹簧 建立 了带附加 气室空气弹簧特性试验系统 可以实现空气弹簧在 不同附加气室容积 不同连接管路管径 不同初始 气压和不同激振频率时的台架试验 用试验 的方法 分析空气弹簧的特性及影响因素 为附加气室和连 接管路的选取提供依据与支持 为实现附加气室和 连接管路与空气弹簧匹配设计奠定基础 1 带附加气室空气弹簧的工作特 点 带 附加气 室 空气 弹簧主 要 由空 气弹 簧 主气 室 附加气室 副气室 以及连接两气室的连接管或 节流孔等三部分组成 附加气室的引入 增大了空 气弹簧 的总容积和工作空间 影响弹簧 的刚度特性 同时 连接管路或节流孔的存在限制 了气体的流动 速度 形成压力差 空气弹簧工作 时 弹簧系统受 外界力的作用产生变形 压缩或拉伸 使得主 附 气室之 间的气体产生压力差 气体在压力差的作用 下经连接管路或节流孔在空气弹簧主 附气室问往 复流动 形成气体交换 2空气弹簧特性试验系统的构建 2 1空气弹簧特性试验系统 带 附加 气 室 的空气 弹 簧 特 性试 验 系 统 包 括 IN STR O N 8800 数控液压伺服激振系统 压力传感 器 数据采集系统 计算机和基于 L abV i ew 的测试 软件等组成 弹簧上端 固定 下端通过激振系统 施加激励 通过气压传感器采集连接管路两端气体 压力 IN STR O N 8800 数控液压伺服激振系统可以 采集空气弹簧内部载荷和位移数据 试验系统结构 如图 1所示 压力传 位移传 空气弹簧 图 1 带附加气室空气弹簧试验系统 2 2 空气弹簧特性试验系统 的主要参数 激振系统为 IN STR 0 N 8800 数控液压伺服振动 测试系统 激振系统工作限值为 15 kN 数据采集 系统为 N I 信号采集系统和基于 L abV i ew的信号分 析处理软件 压力传感器工作范围为 0 1 M Pa 压 力传感器精度为 O 001 采样频率为 1 000 H z 3试验与结果分析 为了分析空气弹簧刚度特性及其影响因素 在 搭建的空气弹簧特性试验台上对带附加气室的空气 弹簧进行特性试验 试验分静态试验和动态试验 静态试验时的可变 因素有附加气室的容积 弹簧 内 部初始气压 动态试验时增加了连接管路 的内径和 激振频率 试验时的可变因素及其数值如下表所示 表试验 的可变因素 可变因素 因素值 附加气室容积 L 初始气压伽 M Pa 连接管路内径 D m m 激振频率J Itz 0 5 1 0 15 0 10 0 15 0 2 0 0 2 5 8 12 16 2 0 O 5O lO 0 间隔 0 5 H z 3 1试验方案 3 3 1静态特性试验 将一定 容积 的附加气 室通过管路 与空气 弹簧 主气室连接 设置空气弹簧在工作高度 向空气弹 簧内充入压缩空气至设定初始气压 然后切断气源 通过激振系统给弹簧施加位移 S 每隔 10 m ln 记录 一 次弹簧 内气体作用力 和气体压力P 弹簧位移 范围在一 90 90 m ln 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 100 机械工程学报 第 48 卷第 4 期 3 3 2 动态特性试验 将 一定容积 的附加气 室通过一 定管径的管路 与空气弹簧主气室连接 设置空气弹簧在工作高度 向空气弹簧 内充入压缩空气至设定初始气压 然后 切 断 气源 通 过 激振 系 统给 弹簧 施 加正 弦激 励 A Aosi n 2 fl 其中 振幅Ao 10 m m 每隔 0 5 H z 记录一次连接管路两端气压 弹簧 内部载荷 和弹簧位移 激振频率范围为 0 5 10 0 H z 3 2试验结果分析 3 2 1静态试验结果分析 将静态试验测得 的空气弹簧在各位置处 的弹 簧力用光滑曲线拟合 得到空气弹簧的 曲线 图2 是经拟合 的初始气压为0 15 M Pa 时空气弹 簧 不同容积附加气室 的 曲线 图 3 为附加气室 容积为 10 L时空气弹簧在不 同初始气压下的 F 曲线 空气弹簧位移 s rnm 图2初始气压为 0 15 M Pa 不同附加气室容积时 曲线 1 1 藿 一 一 70 50 3 0 10 lO 3O 5 O 7 O 空气弹簧位移 m m 图 3附加气室容积为 10 L 不同初始气压时的 曲线 曲线的斜率为弹簧静刚度 从图 2 可以看 出 初始气压一定时 附加气室容积越大 曲线越 平缓 斜率越小 表示弹簧刚度越小 即空气弹簧 有效工作容积的增大可减 小弹簧刚度 但附加气室 容积 l0 L 和 15 L 时弹簧的 F 曲线非常接近 尤 其在弹簧压缩行程 弹簧位移 拉伸为负 压缩 为 正 两条曲线基本重合 表明附加气室容积增大到 一 定程度后 继续增大容积对降低弹簧刚度不明显 从图 3 可 以看 出 空气弹簧有效容积一定时 不同初始气压下弹簧静态力变化趋势一致 气体压 力越大 弹簧力越大 3 2 2动态试验结果分析 空气弹簧动态性能主要指弹簧的动刚度特性 空气弹簧动刚度指弹簧在动载荷作用下抵抗变形的 能力 是反映弹簧性能的重要指标 根据弹簧动特 性试验方案 在每组试验因素下利用传感器采集到 对应的弹簧动载荷和位移 在 M atlab 中将弹簧动载 荷和位移进行处理 可得到空气弹簧该组试验因素 下的弹簧动刚度 通过分析不同试验因素下弹簧动 刚度 获取弹簧动态特性及其影响因素 3 2 2 1主附气室问连接管路内径的影响 图4 为初始气压 0 15 M Pa 附加气室容积 10 L 主附气室间连接管路内径分别为 8 ml 12 rnnl 16 ffull和 20 m i ll时空气弹簧动刚度随激振频率变化 的 曲线 孚 甚 舟 频率 f H z 图4初始气压为 0 15 M Pa 附加气室容积 0L 不同 管径时的动刚度 曲线 由图 4 可 以看 出 相同激振频率时 管径越小 弹簧的动刚度越大 弹簧动刚度还受激振频率的影 响 图 4 中每个管径对应 的动刚度起始值基本相 同 说明低频时 附加气室在不同管径下均能参与工作 但随激振频率的增加 各管径下弹簧动刚度逐渐增 大 但增大 的幅值不同 管径越4 N 度增加越快 越早达到稳定值 根据上述结果 综合空气动力学理论 气体在 流经连接管路时 其流通能力受到管路两端 的压力 差 流速 管路内径和形状等 因素 的影响 高频激 振时 同一管径下气体流速加快 气体分子运动速 度加快 更容易使气体分子间相互干扰 形成气流 壅塞 附加气室内部的气体不能完全参与工作 所 以弹簧动刚度较大 而同一激振频率时 大管径的 连接管路更利于气体的通行 气体在主附气室间交 换相对充分 也就增大了参加工作 的气体的体积 弹簧动刚度较小 说明了连接管路内径限制了附加 气室的作用 从图 4 中可以看出连接管路 内径对弹簧动刚度 有较大影响 为了消除连接管路管径对弹簧动刚度 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2012 年 2 月 李仲兴等 带附加气室空气弹簧性能试验系统的搭建与试验研究 101 的影响 在下面研究气压和附加气室容积对弹簧性 能的影响时选取较大管径 16 m m 的连接管路对弹 簧动刚度的影响进行分析 在 6 0 9 5 H z频段 弹 簧动刚度曲线在不同管径下动刚度均出现了峰值 系统的固有频率在该频段 不同管径时该峰值点对 应 的频率不 同 弹簧系统出现了共振现象 共振可 能发生在橡胶囊本身 连接管路以及附加气室之间 还 需要进一步分析确定 3 2 2 2弹簧内部初始气压 的影响 图 5 显示了附加气室容积为 l0 L 主 附气室 间 连接管路内径为 16 ra i n 弹簧内部初始气压分别为 0 10 M Pa 0 15 M Pa 0 20 M Pa 和 0 25 M Pa 时空气 弹簧动刚度随激振频率变化的曲线 1 墅 恶 频率 f H z 图 5管径为 16 m m 附加气室容积为 10 L 不同气压时的 动刚度曲线 由图 5 可以看 出 低频时 初始气压越大 弹 簧动刚度越大 但在频率高于 6 5 H z 时 动刚度 出 现 了紊乱 从气体动力学来看 气体压力增大使气 体密度增大 气体分子间的作用力也增大 这也就 阻止了弹簧的变形 表现为弹簧动刚度增大 而高 频段动刚度 的紊乱现象主要 由主附气室间连接管路 产生的影响 从图4 也可以看到 连接管路内径为 16 I lm 时 对弹簧动刚度存在较大的影响 高频时 主 附气室间气体交换也有一定的滞后性 由于气 体分子运动的复杂性引起了动刚度变化的不规律 3 2 2 3 附加气室容积的影响 图 6 显示 了初始气压为 0 15 M Pa 连接管路 内 径为 16 m lll 附加气 室容积分别为 0 L 5 L l0 L 和 15 L 时弹簧动刚度随激振频率变化的 曲线 譬 至 最 穗 频率 f H z 图 6管径为 16i ni l 初始气压为 0 15 VtPa 不同附加 气室时的动刚度曲线 从 图 6 可 以看 出 初始气压相同时 各 附加气 室容积对应的刚度曲线趋势相同 随附加气室容积 的增加 弹簧动刚度逐渐 降低 增加空气弹簧的有 效容积能很好地起到降低弹簧刚度的作用 但是随 附加气室容积的增大 弹簧动刚度的变化率逐渐减 小 当附加气室容积增大到一定值后 继续增加附 加气室容积对弹簧动刚度影响较小 同时 随激振 频率的增加 弹簧动刚度逐渐增大 最后各容积下 的弹簧动刚度趋于稳定 曲线重合 由容积不同对 动刚度产生的影响减小 即高频激振限制了附加气 室的作用 值得注意的是 图 6 中 系统 的固有频 率出现在 6 H z 左右 这时系统产生共振 综合 图 4 可知 共振现象主要发生在连接管路和空气弹簧之 间 在管路设计时 应根据实际使用情况避开共振 区域 4 结论 1 设计 了带有连接管路的带附加气室 的空气 弹簧特性试验系统 对不 同附加气室容积和不同连 接管路管径的空气弹簧进行了静态和动态性能试验 研究 2 对试验测得的数据进行分析 结果表 明 附加气室容积 主附气室间连接管路管径 弹簧 内 部气体初始压力 以及激振频率均对弹簧动刚度产生 影响 增大空气弹簧附加气室容积 能够降低空气弹 簧 刚度 当附加气室容积增大到一定值 1o L 后 继续增加容积对弹簧刚度影响较小 主 附气室间 连接管路的管径越小 在相同工况下的弹簧动刚度 值越大 即参加工作的气体的有效容积越小 管路 限制了附加气室的使用 空气弹簧动刚度随内部初 始气压的增大而增大 随激振频率的增大 弹簧动 刚度也逐渐增大 但高频激振 限制 了附加气室的作 用 各个因素对空气弹簧动刚度的影响结果为附加气 室以及主附气室间连接管路管径的选取提供依据 参考文献 1 王家胜 带附加气室空气弹簧动力学特性研究 D 南 京 南京农业大学 2009 W A N G Ji ash eng R esearc h on dy nam i c c har ac teri sti c s of ai r spri ng w i th auxi li ary c ham ber D N anji ng N anji ng A g ri c u ltural U ni versi ty 200 9 2 李芾 傅茂海 黄运华 等 车辆空气弹簧动力学参 数特性研究 J 中国铁道科学 2003 24 5 91 95 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 102 机械工程学报 第 48 卷第 4 期 L I F u F U Mao h ai H U A N G Y u nh u a et a1 R esearc h o n c ar ai r spri ng dynam i c s param eter trai ts J C hi na R ai lw ay Sc i enc e 2003 24 5 91 95 3 L EE J H K IM K J M odeli ng of nonli near c om plex sti ffn ess of d ual c ham b er pn eum ati c spring for p rec i si on vi brati on i solati ons J Journal of Sound and V i brati on 2 0 07 3 0 1 90 9 92 6 4 4 顾太平 何琳 赵应龙 囊式空气弹簧平衡性分析 J 机械工程学报 20 11 47 3 69 72 G U T ai p i ng H E L i n Z H A O Y i n g lon g E qu i li b ri u m perform anc e analysi s for bellow s type ai r spri ng J Journal of M ec han i c al E ngi neeri ng 201 1 47 3 69 72 5 周永清 朱思洪 带附加空气室空气弹簧动刚度试验研 究 J 机械强度 2006 28 1 13 15 Z H O U Y on gq i n g Z H U S i h o ng R esearc h on th e dy n am i c S ti ffn ess o f th e ai r sp ri n g w i th au x i li ary c h amber by test J Journal of M ec hani c al Str ength 2006 28 1 13 15 6 K E N JI K TO M O N O R I K K O ICH I S et a1 R eali zati on o f v i rtual su b c ham b er on ac ti v e c o ntrolled pn eum ati c i solati on table w i th pressure di fferenti ator J Prec i si on Engi neeri ng 2007 31 139 145 7 Q U A G LIA G SO R L I M Experi m ental an d theoreti c al analysi s of an ai r spri ng w i th auxi li ary reservoi r C C D P ro c o f th e 6th Internati on al Sy m p osi u m on F lu i d C on trol M easu rem en t and V i su ali zati on S herbrook e C an ada A u g 20 00 8 郑明军 陈潇凯 林逸 空气弹簧力学模型与特性影响 因素分析 J 农业机械学报 2008 39 5 10 14 Z H EN G M i ngjun C H EN X i aokai L IN Y i D ynam i c al m odel and c harac teri sti c s an alysi s of ai r spri ng J T ran sa