帶附加空氣室空氣彈簧的性能研究

帶附加空氣室空氣彈簧的性能研究

1帶附加空氣室空氣彈簧動(dòng)態(tài)特性的研究進(jìn)展為了提高車輛運(yùn)營的適應(yīng)性，可采用額外空氣室的剛度和衰減，即在空氣彈簧（主氣室）的基礎(chǔ)上增加額外空氣室（輔助室），并在主和副氣室之間設(shè)置開口孔，以改變開口孔的開口，增加開口孔的開口。針對帶附加空氣室空氣彈簧垂直剛度和阻尼隨空氣壓力和節(jié)流孔孔徑的變化規(guī)律問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。日本的KatsuyaToyofuku等人通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究節(jié)流孔的孔徑及振動(dòng)頻率與空氣彈簧響應(yīng)之間的關(guān)系,分析管道和附加空氣室對彈簧特性變化的影響。鐵道科學(xué)研究院的原亮明等人應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)、工程熱力學(xué)理論,推導(dǎo)帶附加空氣室空氣彈簧垂向動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。西南交通大學(xué)的李芾等人運(yùn)用熱力學(xué)及流體力學(xué)理論,建立帶附加空氣室空氣彈簧的物理模型,提出空氣彈簧參數(shù)的計(jì)算方法。本文圍繞帶附加空氣室空氣彈簧的動(dòng)態(tài)特性問題進(jìn)行初步研究,采用試驗(yàn)的方法,研究激勵(lì)頻率、節(jié)流孔孔徑對帶附加空氣室空氣彈簧動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。綜合分析已有的研究結(jié)果可以看出,目前對空氣彈簧剛度和阻尼隨節(jié)流孔孔徑及空氣壓力變化規(guī)律的研究還很不充分,難以為帶附加空氣室空氣彈簧節(jié)流孔的控制提供可靠依據(jù)。本文用自由衰減振動(dòng)法初步研究空氣壓力、節(jié)流孔孔徑對帶附加空氣室空氣彈簧垂直剛度和阻尼的影響,以期為剛度和阻尼連續(xù)可調(diào)的空氣懸架系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1空氣彈簧振動(dòng)的計(jì)算用自由衰減振動(dòng)法測試帶附加空氣室空氣彈簧的剛度和阻尼。由帶附加空氣室空氣彈簧與質(zhì)量m組成單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng),讓系統(tǒng)作自由衰減振動(dòng),測得如圖1所示的系統(tǒng)響應(yīng)。其中T為振動(dòng)周期,Ai(i=0,1,2,…)為振幅。為簡化起見,假設(shè)系統(tǒng)是線性的,由下式可分別計(jì)算空氣彈簧的剛度和阻尼比式中A0為參考點(diǎn)振幅,An為與A0間隔n個(gè)完整周期的振幅。而阻尼則由下式計(jì)算2.2空氣彈簧和試驗(yàn)系統(tǒng)圖2所示為試驗(yàn)裝置示意圖。由帶附加空氣室空氣彈簧、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和測試系統(tǒng)組成。其中空氣彈簧為美國凡士通(Firestone)公司生產(chǎn)的1T15M-2型膜式空氣彈簧,附加空氣室為圓柱形,容積為22L;空氣彈簧與附加空氣室通過聯(lián)接板相連,聯(lián)接板上設(shè)有節(jié)流孔,節(jié)流孔孔徑大小通過更換不同孔徑的節(jié)流閥片調(diào)節(jié)。共有27片節(jié)流閥片,大孔徑節(jié)流閥片取2種,分別為50mm和35mm,最小的為0,其余24片節(jié)流閥孔徑分別為2mm到25mm,即孔口直徑以Δ1mm的間隔遞增。試驗(yàn)臺(tái)為自行研制的機(jī)械式振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),加在空氣彈簧上端的質(zhì)量塊共計(jì)1.254t,在直線導(dǎo)軌的作用下,作垂直振動(dòng)?？諝鈴椈傻牡锥斯潭?。測試系統(tǒng)為基于虛擬儀器的振動(dòng)測試系統(tǒng),質(zhì)量塊振動(dòng)的位移信號通過端子板、數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)。測試系統(tǒng)的軟件用Labview編寫,通過虛擬儀器面板控制數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲(chǔ)。3空氣彈簧的剛度、阻尼比和阻尼測試影響空氣彈簧垂直剛度和阻尼的主要因數(shù)有空氣彈簧的結(jié)構(gòu)和容積、附加空氣室的形狀和容積、空氣彈簧的內(nèi)壓以及節(jié)流孔孔口大小。考慮到所研究的空氣彈簧主要用于客車,空氣彈簧的結(jié)構(gòu)和容積以及附加空氣室的形狀和容積由客車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與對懸架系統(tǒng)振動(dòng)特性參數(shù)的要求確定,試驗(yàn)過程中設(shè)為常數(shù)。空氣彈簧的內(nèi)壓用空載時(shí)的壓力表示,取5種不同的氣壓,分別為0.225MPa、0.25MPa、0.275MPa、0.3MPa和0.325MPa,其中中間值0.25MPa為空氣彈簧的正常工作壓力。節(jié)流孔取27種大小的孔徑,分別為0、φ35mm、φ50mm以及φ2mm~φ25mm(以Δ1mm的間隔遞增)。試驗(yàn)過程中通過外力使質(zhì)量塊向下移動(dòng),空氣彈簧被壓縮,然后撤除外力,讓質(zhì)量塊作自由衰減振動(dòng),通過測試系統(tǒng)測取質(zhì)量塊的響應(yīng),測取響應(yīng)的周期T和振幅Ai(i=0,1,2,…)。并用式(1)、(2)、(3)分別計(jì)算空氣彈簧的剛度、阻尼比和阻尼。對應(yīng)一種氣壓下,對每個(gè)直徑孔口進(jìn)行1組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,對應(yīng)5種氣體壓力,27種節(jié)流孔閥片共進(jìn)行135組(405次)實(shí)驗(yàn)。圖3所示為5種氣壓下帶附加空氣室空氣彈簧剛度隨節(jié)流孔孔徑變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,對5種氣體壓力,空氣彈簧剛度隨節(jié)流孔孔徑變化的規(guī)律基本一致。當(dāng)節(jié)流孔孔徑小于φ3mm時(shí),空氣彈簧的剛度基本上為常數(shù),與沒有節(jié)流孔時(shí)的空氣彈簧剛度值相等,表明附加空氣室基本不起作用;當(dāng)節(jié)流孔孔徑由φ3mm逐漸增大到φ10mm時(shí),主、副空氣室之間的空氣流動(dòng)逐漸增強(qiáng),空氣彈簧的剛度值逐漸減小,至φ10mm時(shí),對應(yīng)0.225MPa的剛度值減小了約60%,對應(yīng)0.325MPa的減小了約22%;當(dāng)節(jié)流孔孔徑大于φ10mm時(shí),主、副氣室等同于完全相通,空氣彈簧的剛度值基本保持不變。圖4所示為5種氣壓下阻尼隨節(jié)流孔孔徑變化的關(guān)系曲線。同剛度值一樣,5種氣體壓力下空氣彈簧阻尼隨節(jié)流孔孔徑變化的規(guī)律也基本一致。當(dāng)節(jié)流孔孔徑為0時(shí),5種氣壓下的阻尼值相差不大,為空氣彈簧氣囊變形產(chǎn)生的阻尼。隨著節(jié)流孔孔徑的增大,空氣彈簧的阻尼值急劇增大,至φ5mm附近時(shí),空氣彈簧的阻尼值達(dá)到最大值,對應(yīng)0.225MPa的最大阻尼值為5.7kN·s/m,較節(jié)流孔孔徑為0(主、副氣室鎖閉)時(shí)的阻尼值增大了6.9倍;對應(yīng)0.325MPa的最大阻尼值為2.8kN·s/m,較節(jié)流孔孔徑為0(主、副氣室鎖閉)時(shí)的阻尼值增大了3.9倍。隨著節(jié)流孔孔徑的增大,阻尼值急劇減小,直至φ20mm時(shí),阻尼值減小的趨勢減緩,到χ50mm時(shí),阻尼值與節(jié)流孔孔徑為0(主、副氣室鎖閉)時(shí)的阻尼值基本一致,表明節(jié)流孔已不起阻尼作用。從圖中還可以看出氣壓對阻尼的影響,總體來說,氣壓越低,空氣彈簧的阻尼值越大,尤其當(dāng)節(jié)流孔孔徑在0~φ20mm之間變化時(shí),氣壓對阻尼的影響非常明顯,即氣壓降低時(shí),阻尼值的增加顯著。圖5所示為阻尼比隨節(jié)流孔孔徑變化的關(guān)系曲線,其變化趨勢與阻尼的變化趨勢基本相同。當(dāng)節(jié)流孔孔徑為0(主、副氣室鎖閉)或很大(>φ20mm時(shí)),空氣彈簧的阻尼比很小,為小阻尼。當(dāng)節(jié)流孔孔徑為φ5mm,空氣彈簧的阻尼比變大,最大值達(dá)到0.28,對振動(dòng)系統(tǒng)的衰減作用非常明顯。4節(jié)流孔孔徑的影響通過試驗(yàn)研究得出如下結(jié)論:1)改變附加空氣室與空氣彈簧之間節(jié)流孔的大小,可以顯著改變空氣彈簧的垂向剛度。當(dāng)節(jié)流孔孔徑在5mm~10mm之間時(shí),空氣彈簧的剛度值變化十分明顯。2)改變附加空氣室與空氣彈簧之間節(jié)流孔的大小,可以顯著改變空氣彈簧的阻尼。當(dāng)節(jié)流孔孔徑在3mm~20mm之間時(shí),空氣彈簧的阻尼迅速增大;當(dāng)節(jié)流孔孔徑在5mm時(shí),空氣彈簧的阻尼值達(dá)到最大值;當(dāng)節(jié)流孔孔徑小于5mm時(shí),空氣彈簧的阻尼值又迅速減小;所以節(jié)流孔孔徑的調(diào)節(jié)范圍可取為5m