复杂活塞轮廓型线对约束膜式空气弹簧刚度的影响及分析.pdf
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1、 车辆工程制造技术现代制造工程()年第 期复杂活塞轮廓型线对约束膜式空气弹簧刚度的影响及分析朱好葛正浩李杰刘家成王俊(陕西科技大学机电工程学院西安)摘要:空气弹簧作为弹性元件与传统螺旋弹簧和钢板弹簧相比具有更好的隔振、降噪特性 空气弹簧刚度是空气弹簧的主要性能参数其主要影响因素是有效面积及其变化率而空气弹簧的活塞轮廓外径及其变化趋势对有效面积及其变化率的影响显著因此活塞轮廓型线是影响空气弹簧性能的主要因素之一 建立了关于约束膜式空气弹簧刚度特性的数学模型分析活塞轮廓型线对约束膜式空气弹簧刚度的影响 同时基于气囊卷耳最低点处(窝折点)所在圆的直径即为有效直径这一理论提出了一种对于任意复杂活塞轮廓
2、曲线表述空气弹簧位移在任意时刻、任意变化规律情况下对应活塞作用高度及其变化的方法关键词:空气弹簧活塞轮廓曲线窝折点有效直径有效面积中图分类号:.文献标志码:文章编号:():./.():.().:引言空气悬架相较于传统悬架在面对不同路况通过调节车身姿态来改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性方面具有很大的优势而空气弹簧是影响空气悬架性能的主要部件 空气弹簧相较于螺旋弹簧、钢板弹簧等其他传统车载弹簧来说具备变刚度、自振频率低、高度可控以及良好的降噪和隔振性能等特点能够显著提高车辆的乘坐舒适性、行驶平顺性和道路友好性 空气弹簧刚度是空气弹簧最重要的性能参数其垂直方向为主要承载方向随着刚性上盖(端盖)和刚性底
3、座在垂直方向的相互运动其内部压缩空气的压力产生波动因而提供抵抗振动的反力约束膜式空气弹簧在通常状态下不承受横向载荷垂直方向刚度(简称垂向刚度)为其主要参数、等人和 等人均基于等温工况对空气弹簧的垂向刚度进行了研究得到了载荷特性曲线 胡芳在研究客车空气弹簧悬架过程中提出了 年第 期现代制造工程()用拟合的办法确定空气弹簧的变刚度 陈燎等人用非线性曲线拟合方法代替气体状态方程得到了空气悬架使用条件下空气弹簧的刚度工作曲线方程空气弹簧力学模型在研究其性能以及仿真计算过程中具备指导性作用基于力学模型可以推导并验证空气弹簧的部分特性 和 等人均通过试验对空气弹簧力学模型中的参数进行辨识并给出各参数与振动
4、频率变化的关系 李芾等人对空气弹簧力学模型参数进行分析得出各个参数对空气弹簧动力学特性的影响上述研究虽建立了空气弹簧等效力学模型能够快速分析空气弹簧动力学特性但其所针对的空气弹簧结构单一没有涉及到空气弹簧活塞的复杂型线对空气弹簧刚度的影响以及空气弹簧相关参数的设计计算 为分析空气弹簧活塞的型线对弹簧刚度的影响规律唐传茵等人和李静等人在文中详细地阐述了锥形活塞的空气弹簧结构计算过程并针对活塞角度对刚度的影响做出分析该研究虽考虑了活塞的型线但仅针对锥形活塞进行了建模分析结构过于单一 为了不再局限于单活塞型线的结构计算本文采用曲线积分的方式推导了一组公式精确地表达了压缩量(空气弹簧总高度的变化量)与
5、卷耳最低点处对应活塞半径之间的关系使其能够适合任意活塞型线以及任意压缩工况的空气弹簧刚度计算 理论建模.刚度空气弹簧主要承受垂直方向的载荷 即:()()式中:为空气弹簧内部气体的相对压强为空气弹簧的有效面积为空气弹簧的有效直径即空气弹簧气囊卷耳最低点处(窝折点)所在圆的直径(非空气弹簧气囊外直径)从客观事实判断空气弹簧随高度的减小(被压缩)承载能力提高所以空气弹簧刚度 可以表示为:()()式中:为空气弹簧端盖的压缩量(向下为正)即空气弹簧总高度的变化量、分别为理想气体压强、理想气体体积 为气体物质的量、分别为理想气体常数、理想气体温度基于理想气体的状态方程(见式()关于气体多变变换满足(为空气
6、弹簧有效体积 为多变指数 为常数)空气弹簧在等温状态下在绝热状态下 .在一般动态过程.假设空气弹簧在某一初始状态与变化后状态之间满足(、分别为初始状态气体压强与体积)结合式()可得空气弹簧刚度表达式为:().有效直径计算空气弹簧计算模型如图 所示其由端盖、气囊和活塞等组成 图 中 为气囊最大内径在乘用车空气弹簧应用过程中由于导向套的限制等效为导向套内半径视为不变为卷耳圆心到活塞顶端的距离为活塞顶端到端盖的距离也表示活塞的压缩高度 为活塞顶端到卷耳与活塞外轮廓相切的最低点之间的距离随空气弹簧的压缩拉伸变化为关于时间 的函数 为气囊与活塞的切点(卷耳与活塞外轮廓相切的最低点简称切点)向下的位移 为
7、切点处的活塞半径(活塞型线半径)为卷耳半径 为卷耳圆心到活塞外轮廓的垂线与水平面之间的夹角窝折点表示气囊卷耳最低点该点所在圆的直径为空气弹簧有效直径()图 空气弹簧计算模型假设空气弹簧在工作时气囊总长度 不发生改变可得式()为方便计算引入关于 的函数()表示活塞型线半径 与 的关系即:朱好等:复杂活塞轮廓型线对约束膜式空气弹簧刚度的影响及分析 年第 期()()()()()式中:()为函数()对于 的导数即活塞型线的变化率为初始状态活塞顶端到端盖的距离 用关于时间的函数()表示即:()()由式()可得:()()()()()()()()()式中:()为函数()对时间 求导从图 中可以得出 的大小与
8、活塞型线的变化率()有关可以用式()表示:()()由图 中还可得:()()()综合式()式()可得:()()()()()随着活塞压缩高度的变化为了准确计算出此时空气弹簧的有效直径 可以通过式()进行相关变量的计算但其中卷耳半径、活塞顶端到卷耳与活塞外轮廓相切的最低点之间的距离 和夹角 均为未知量于是引出式()可以求解出空气弹簧的有效直径即:()().有效体积空气弹簧有效体积计算简图如图 所示 由图 可得:()式中:为附加气室的体积 为空气弹簧各部分的体积空气弹簧两头存在圆角结构圆角结构部分的体积 可表示为:()空气弹簧各部分体积可分别表示为:()()()()()()()()()()式中:为体积
9、 部分圆角结构的半径图 空气弹簧有效体积计算简图.有效体积变化率的有效体积变化率可表示为:()在空气弹簧工作过程中视 不变则有:()()()()()()年第 期现代制造工程()()()()()()()()式中:分别为空气弹簧各部分体积的有效体积变化率.有效面积及有效面积变化率结合式()和式()有效面积 为:()()有效面积变化率为:()()/()/()综上各式空气弹簧刚度 可表示为:()()()仿真分析 软件具有很多超弹性材料本构模型如 模 型、模 型、模 型、模型和 模型等这些本构模型能够解决在有限元模拟过程中空气弹簧材料非线性特性的问题图 所示为橡胶气囊的结构示意 图 中帘线层作为空气弹簧
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