高速列车空气弹簧横向特性动力学建模与应用

为了优化高速列车空气弹簧的横向动力学特性,以含附加气室与节流阻尼孔的高速列车空气弹簧为研究对象,分析了橡胶气囊在横向变形下的受力状态,采用橡胶材料的本构关系对橡胶气囊的摩擦力、线弹力进行了描述,建立了空气弹簧横向非线性模型。基于实测数据和有限元方法辨识了摩擦力、线弹力和其他动力学参数,试验验证了该模型的准确性,探究了空气弹簧横向刚度特性的影响因素。将该模型直接导入到车辆动力学模型中进行联合仿真,计算空气弹簧模型对车辆运行平稳性、曲线通过性的影响。结果表明：考虑橡胶气囊特性的空气弹簧模型能描述出刚度回滞曲线的两端尖角效应,且与试验曲线更接近;该模型在动力学计算中能降低高速列车的横向平稳性指标,并提高列车通过曲线时的计算精度。     

空气悬架充放气过程的动态特性研究

为了研究悬架系统充气过程对车体高度的主要影响因素,对某型带附加气室的双囊式空气弹簧的物理特性曲线进行拟合。运用工程热力学、流体力学和空气动力学理论,建立空气弹簧充气数学模型。运用Simulink/MATLAB建立带附加气室空气弹簧的充气模型,分别仿真计算不同附加气室容积、充气流量和减振器阻尼系数对空气弹簧高度的影响。结果表明充气流量对气囊的伸长量影响最大,并且充气流量越大,气囊伸长量越大。     

高速动车组空气弹簧垂向动态特性研究

建立空气弹簧的气动流体力学模型,并推导空气弹簧垂向特性与其回滞曲线几何特征的关系式。基于该气动模型,通过静态及动态仿真试验,着重研究橡胶气囊体积、附加空气室体积及节流孔直径三个结构参数与空气弹簧垂向静态刚度、动态刚度及阻尼特性的关系。在此基础上,使用包含该空气弹簧气动模型的高速动车组整车动力学模型,进一步研究空气弹簧结构参数对车辆垂向平稳性的影响规律。计算结果表明,增大橡胶气囊体积可有效改善车辆垂向平稳性;附加空气室体积达到一定值时,进一步增大对提高车辆垂向平稳性作用不大,应保证附加空气室容积至少为35 L;随着节流孔直径的增大,车辆垂向平稳性指标首先快速减小然后缓慢增大,说明节流孔直径存在一较优取值范围,约为15~25 mm,使车辆垂向平稳性达到最佳。     

基于D最优响应面设计方法的带附加气室空气弹簧动力学特性拟合研究

由于带附加气室空气弹簧的影响因素和动态特性参数之间的非线性映射关系难以描述,提出建立响应面方法替代复杂的空气弹簧动态特性方程用于空气弹簧特性的研究。首先用两个非线性特性显著的算例验证了D最优方法建立响应面的有效性,然后根据响应面设计空气弹簧动态特性实验,基于实验结果用高阶多项式进行回归拟合建立高精度响应面,最后根据设计响应面研究了主要因素附加气室容积和节流孔直径对空气弹簧动态特性参数动刚度和阻尼的影响。     

带附加气室空气弹簧动态特性仿真与试验研究

为了揭示带附加气室空气弹簧动力学特性,运用有限元分析方法,基于R1A型自由膜式空气弹簧,建立了带连接管路附加气室空气弹簧有限元模型,对有限元模型进行动态特性的数值仿真,分析连接管路管径、附加气室容积、初始气压对空气弹簧刚度随频率变化的影响规律,结果显示:较大管径和低频率可获得较小的空气弹簧动刚度;随着附加气室容积增大,系统动刚度降低其变化幅度亦趋于平缓,继续增大附加气室容积对降低系统动刚度效果不明显;空气弹簧的刚度随初始气压的增加而变大,并通过动态特性试验验证了有限元模型的正确性。     

带有双附加气室空气弹簧的隔振性能研究

大型飞机的机载计算设备需要隔振系统进行振动保护,而空气弹簧是一种性能优良的隔振元件.文中设计一款带有双附加气室约束膜式空气弹簧,两个附加气室采用串联方式排列,主附气室之间通过节流孔相连.利用流体力学等相关理论建立该类型空气弹簧的振动微分方程,并对该方程进行求解,得到在不同频率激振作用下两个附加气室的压力变化规律、两节流孔半径变化对阻尼比的影响及空气弹簧的加速度传递率.结果表明,激振频率越高,附加气室B的压力变化幅度越小,其对隔振系统的贡献越小;空气弹簧具有周期非线性的特点;阻尼比的极大值首先与节流孔Ⅰ有关,在节流孔Ⅰ的半径足够大时才与节流孔Ⅱ有关;双附加气室空气弹簧较单附加气室空气弹簧具有更好的隔振效果.     

带附加空气室空气弹簧动刚度试验研究

以美国凡士通（Firestone）公司的1T15M-2型膜式空气弹簧为基础,构建带附加空气室的空气弹簧,实验研究不同激励频率条件下空气弹簧动刚度随主、附气室之间节流孔孔径变化的规律。研究发现,当节流孔孔径在Φ5mm～015mm范围内变化时,空气弹簧动刚度随节流孔孔径的变化而变化,小于Φ5mm,附加空气室基本不起作用;大于Φ15mm后,再增大孔径,空气弹簧的动态响应基本不变。该研究结果对促进刚度连续可调的空气悬架系统的研究与开发有重要意义。     

带附加空气室空气弹簧垂直刚度和阻尼实验研究

以美国凡士通(Firestone)公司的1T15M-2型膜式空气弹簧为基础,构建带附加空气室的空气弹簧,将带附加空气室空气弹簧简化为由并联线性弹性和线性阻尼组成的垂直弹性元件,采用单质点自由衰减振动的方法,试验研究不同空气压力下弹簧垂直刚度和阻尼随节流孔孔径变化的规律。研究发现,在各个压力条件下,节流孔孔径对垂直刚度和阻尼都有影响,其中节流孔孔径在3mm~10mm之间变化时,带附加空气室空气弹簧的刚度发生显著的变化,且孔径越大,刚度越小;阻尼的敏感变化范围为0~20mm,在5mm附近阻尼达到最大值。该研究结论为刚度和阻尼连续可调空气悬架的研发提供依据。     

带附加气室空气悬架的综合性能优化

以带附加气室的空气悬架为研究对象,基于流体力学与工程热力学,建立空气弹簧-连接管路-附加气室数学模型;考虑到空气弹簧刚度的非线性,将其以空气弹簧非线性力的形式引入到1/4车辆动力学模型中;以寻求车辆乘坐舒适性、轮胎接地性与操纵稳定性的综合性能最优为目标,对典型工况下的附加气室容积与减振器阻尼进行寻优。优化结果表明,悬架的综合性能、乘坐舒适性得到改善,轮胎接地性与操纵稳定性略有降低。台架试验与仿真结果基本吻合。     

带附加气室空气弹簧性能试验系统的搭建与试验研究

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LabView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0.5～10.0 Hz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。     

一种带附加气室的空气悬架剪式座椅振动特性理论分析

将带有附加气室的空气弹簧应用于一种剪式座椅中,建立了该空气悬架座椅系统运动微分方程,推导出了系统的等效垂向刚度、等效阻尼系数、固有频率及阻尼比的计算公式,分析了该空气悬架座椅系统的影响因素,并以ContiTech公司的SK37-6型膜式空气弹簧和HY-Z04型剪式座椅为例,计算出了不同簧载质量、不同节流孔开度条件下系统的等效刚度、等效阻尼系数及固有频率,分析了其变化规律。研究结果表明,随着节流孔开度的增大,系统的固有频率逐渐减小;可以通过调节节流孔开度的大小,改变系统的固有频率,以适应不同的驾驶员体重和路况,进一步改善座椅的乘坐舒适性。     

变载荷空气悬架固有频率的控制研究

从气体压缩的玻意耳定律出发,基于空气悬架的四个简化模型:忽略大气压力的无附加气室模型、考虑大气压力的无附加气室模型、忽略大气压力的有附加气室模型和综合考虑大气压力和附加气室的模型,采取循序渐进的方式探究空气弹簧的弹性特性、刚度特性和频率特性,推导出相关公式,并分析得到:有附加气室的空气悬架模型的固有频率要小于理想模型的固有频率、当空气弹簧的附加气室的容积一定时,悬架的固有频率随着气囊剩余空气柱的高度的增加而减小,与在实际工程上可通过设计体积可调的附加气室来实现悬架的固有频率的稳定,从而提高客货车的乘坐舒适性。     

车辆空气弹簧参数对动力学性能的影响

基于气体热力学和流体力学在AMESim平台建立非线性空气弹簧模型,将其应用到UM建立的高速车辆模型中,对比分析了空气弹簧非线性弹簧模型和线性模型对车辆动力学性能的影响,研究了空气弹簧结构参数对车辆运行平稳性的影响.仿真计算结果表明:非线性空气弹簧要比线性弹簧更接近实际且在低频时非线性特性较为明显.橡胶气囊体积和节流孔直...     

基于非线性有限元算法的空气弹簧横向动态刚度研究

基于非线性有限元算法,建立了轨道车辆空气弹簧的横向刚度计算模型,其中考虑了橡胶特性、帘线层布置、流固耦合及裙板接触等非线性因素。计算结果表明:在研究空气弹簧横向特性时,可以忽略附加空气室与节流孔的作用,但不能忽略应急橡胶弹簧的影响。将空气弹簧的横向反力计算结果与试验结果进行对比,发现两者误差在6%以内,验证了模型的正确性。通过对空气弹簧横向动态刚度的研究发现:空气弹簧横向动态刚度对横向激振的频率与振幅是不敏感的,但对振动的平衡位置十分敏感;空气弹簧的横向动态刚度随平衡位置的增加而增加,且平衡位置越大横向动态刚度的增速越大。这种空气弹簧横向动态刚度的非线性特性,有利于提高轨道车辆的横向平稳性与稳定性。     

自由膜式空气弹簧非线性有限元分析

对一种自由膜式空气弹簧进行非线性有限元分析,建立自由膜式空气弹簧非线性柔性体有限元动力学模型,研究其各项力学性能。橡胶气囊采用分层壳单元耦合建立,内外层橡胶采用一次多项式Mooney-Rivlin橡胶材料本构模型,内置帘线层采用帘线织布材料本构模型。利用AIRBAG模型模拟橡胶气囊气固耦合,对建立起的有限元模型进行力学仿真计算,数值计算结果对比试验表明模型精度较高。对其进行力学分析,得出橡胶气囊初始气压对空气弹簧影响较大,刚度值随气压增大呈非线性增长;帘线层层数对垂向刚度影响较小,横向刚度影响较大;辅助弹簧对空气弹簧垂向及横向刚度影响较大。所得结果为进一步进行整车动态分析及空气弹簧设计研究提供理论以及数据基础。     

电控空气悬架系统参数的多目标优化

针对传统悬架将结构参数与控制参数分开设计,易造成系统失去全局最优的不足,本文以电子控制空气悬架为例提出一种对其结构/控制参数多目标优化的方法。首先建立了带附加气室空气弹簧和电磁阀式减振器空气悬架数学模型,运用台架试验的方法验证了所建模型的精度。设计了LQR控制器对减振器阻尼力控制,选取带附加气室空气弹簧节流孔尺寸作为优化结构参数,控制器与振动加速度有关的权系数作为优化的控制参数,运用多种群遗传算法分别对系统结构/控制参数多目标优化,控制参数优化,结构参数优化。优化结果显示,相对于系统结构参数与控制参数分开优化,悬架系统结构/控制参数多目标优化后系统性能得到进一步提升。     

车用空气弹簧有限元分析方法

空气悬架系统的刚度直接影响整车性能,而悬架刚度又主要取决于空气弹簧刚度特性。由于在工作行程中橡胶气囊发生多重非线性问题,难以用传统方法预估弹簧刚度。为此,基于空气弹簧结构分析、非线性有限元理论,提出一种空气弹簧力学特性预估方法。在这方法中以Yeoh模型模拟橡胶层,rebar模型代表帘线层,缘板及活塞作为刚体,气体流动与气囊体变形耦合。为了检验该方法的有效性和可行性,以某一大客车悬架用膜式空气弹簧为应用实例,根据结构尺寸用CAD软件UG建立三维实体模型,并用Hypermesh软件划分网格,用试验测试橡胶材料的应力应变关系。将有限元模型导入非线性有限元软件abaqus中进行数值计算。计算结果表明,所提出的方法是切实可行,为汽车悬架用空气弹簧研制开发提供了一种较为经济实用的预估方法。     

天棚控制的共享气室悬架系统平顺性研究

采用拟合建模的方法建立共享气室空气弹簧系统刚度模型.结合力学及天棚阻尼控制理论建立半主动悬架系统Matlab平顺性模型,并将共享气室空气弹簧模型与悬架系统模型结合,搭建共享气室空气悬架试验台架;研究不同频率下共享气室空气弹簧系统参数对半主动悬架系统平顺性的具体影响.结果 表明空气弹簧参数变化对车身加速度以及轮胎动载荷的影响较为明显,而对悬架动挠度的影响较小.同时发现各参数在低频率范围对半主动悬架平顺性的影响较高频范围更加显著.     

客车转向架空气弹簧垂向阻尼结构参数选择

铁路客车转向架中央悬挂用空气弹簧，垂向仅用节充孔实现阻尼，取代液压振器，而其参数的选择至关重要。本文以大变位，小横向刚度空气弹簧的垂向传递函数为基础，通过振动理论分析，经流量特性线性化处理，对我国正在开发研制的２５０ｋｍ／ｈ高速铁路客车转向架空气弹簧固定节流孔和可变节流孔的结构参数进行了设计选择，实现了中央垂向阻尼。     

空气阻尼悬置非线性动态特性建模与仿真

由于空气阻尼悬置为汽车动力总成等系统的隔振元件,其性能与成本介于橡胶悬置与液阻悬置之间,以一典型空气悬置为研究对象,建立了动力学特性仿真分析的集总参数非线性模型。对其动特性进行了数值仿真,并与实验值进行了对比分析,结果证明了所建立模型的正确性。对影响空气悬置动特性的各因素进行了趋势研究,揭示了节流孔直径、节流孔长度、初始体积、激励振幅与绝热指数等因素对空气悬置特征参数的影响规律,其中减小节流孔直径可显著提高空气悬置阻尼。此研究的建模与仿真方法有助于空气悬置产品的设计与开发。