兰州交通大学本科毕业设计（论文）
参考文献 .......................................................................................................................... 46
兰州交通大学本科毕业设计（论文）
1 绪论
进入二十一世纪，我国铁路高速发展，已经成为国民经济的支柱产业。铁路行业所面临的国内外竞争在进一步加剧，为确保机车车辆具有良好的动力学品质，更好地提高车辆的运动平稳性。空气弹簧作为铁道车辆的重要部件，提高机车车辆的运行品质，延长零部件的使用寿命起着重要作用。改善和提高高速列车和城市轨道车辆的运行品质具有极其重要的意义，具产生巨大的经济效益。为确保机车车辆本文重点研究基于空气弹簧力学特性及非线性分析。空气弹簧技术是为了改进弹簧悬挂装置以提高运行特性而发展的一门技术, 其力学性能对提高列车运行舒适性具有重要作用。与钢弹簧相比, 空气弹簧具有无比的优越性, 特别是变刚度、低自振频率、高度控制以及良好的高频振动吸收和隔声性能等。因此, 空气弹簧已成为我国提速列车和高速列车转向架悬挂系统所 普遍采用的关键部件, 而目前在如何提高空气弹簧产品的开发能力、提高产品的使用性能以及缩短开发周期方面显得尤其重要。
1.1 本研究的范围和意义
在传统的设计理论中总是将悬架看作一个线性子系统，这样做主是为了简化分析，但事实上所有的悬架系统都存在一定程度的非线性，特别是空气弹簧由于其材料非线性、几何非线性和接触非线性而呈现出很复杂的非线性特性。空气弹簧在悬架上的应用对传统的悬架设计理论提出了新的挑战。近年来有关非线性特性对汽车性能影响的研究，以及具有非线性特性的零部件在汽车上的应用研究在国内外工程领域内蓬勃开展。计算机技术的飞速发展，非线性系统基础理论一非线性动力学研究上取得的新进展，更为非线性悬架设计的理论分析提供了有力的手段。
空气弹簧悬架广泛应用于机车车辆中。这种非线性弹簧有很多优点，空气弹簧的应用不仅提高了空气弹簧车辆系统的行驶平顺性，同时对铁道车辆的稳定性、安全性起到了改善作用，相对于其他弹簧来说，空气弹簧在成本、可靠性方面都占据着极大的优势，因此，采用这种形式的空气弹簧悬架必将成为将来悬架设计的发展趋势。在铁道车辆的行驶平顺性研究中，空气弹簧悬架特性参数中主要考虑的是悬架系统的刚度特性和阻尼特性两个方面。对于悬架而言因为它还有导向机构和减振器，它有较大的阻尼，因而对于空气弹簧主要考虑和研究其刚度特性，因此本文将研究重点放在具有非线性弹性特性的空气弹簧悬架的设计理论上。
本文从非线性动力学理论出发，首先建立了空气弹簧悬架的数学和力学模型，通过
1
兰州交通大学本科毕业设计（论文）
对悬架系统进行定量和定性分析得出适合悬架使用的非线性特性，在此基础上给出非线性空气弹簧悬架的参数设计方法，分析空气弹簧悬架参数变本文从非线性动力学理论出发，首先建立了空气弹簧悬架的数学和力学模型，通过对悬架系统进行定量和定性分析得出适合悬架使用的非线性特性，在此基础上给出非线性空气弹簧悬架的参数设计方法，分析空气弹簧悬架参数变化，对铁道车辆性能的影响。同时着重于动力学响应的分析，包括对车身加速度、悬架动挠度和车轮动载的幅频特性、功率谱等的研究，这些参数对悬架性能的影响，从而建立起一套比较完整的空气弹簧悬架的设计理论。在铁道车辆设计过程中，充分理解悬架非线性特性对铁道车辆性能的影响对悬架设计工来说具有非常重要的实用价值，建立汽车悬架动力学模型，进行动力学分析可以了解悬架非线性特性对铁道车辆性能的影响。本文以非线性数学方法为基础，以非线性动力学为研究方法，对空气弹簧悬架非线性和车辆的动力学性能进行研究，得到悬架参数对空气弹簧非线性及车辆动力学性能的影响，其结论对非线性悬架设计具有很好的参考指导作用。空气弹簧在国外的装车率己经很高，也很普遍。而从非线性动力学角度对空气弹簧进行理论研究，在国内外都属一个较新的研究范畴。因此本研究在提高国内车辆设计理论水平，丰富设计研究内容方面具有重要的意义，具有较高的理论意义和实用价值。
1.2 空气弹簧的现状及其发展
空气弹簧诞生于19世纪中，在有专利记载1847年John Lewis 发明了空气弹簧，同一年《美国科学》创刊号上就提出了“ride on air”的概念。空气弹簧诞生后，许多人在空气弹簧的密封性结构的改进,应用上进行了大量的研究,我国空气弹簧的研究始于1957年，并在车辆上得到了使用。20世纪70年代，法国试验型高速列车TG-001的Y225型转向架上二系悬架采用了日本住友公司生产的约束膜式空气弹簧；80年代初在TGV-PSE上采用了康迪泰克公司生产的高柔性684N4.10B空气弹簧，保证了TGV于1990年在每小时515 km创世界纪录速度时仍具有优良的运行平稳性。20世纪90年代后期，我国铁路进入高速化和全面提速时期，在提速和高速车以及动车组上广泛采用了空气弹簧，使空气弹簧在我国轨道车辆上的应用进入了新的阶段。在我国准高速车辆CW-2 型转向架上采用空气弹簧，其安装在摇枕和托梁之间，横向间距为1 956 mm，利用摇枕内腔作为附加空气室，空气弹簧与附加空气室之间设可调节流阀。209HS 转向架的二系悬架采用膜式空气弹簧，摇枕兼作附加空气室。206KP型准高速客车转向架采用了SF500型系列空气弹簧。其特点是采用了橡胶堆弹性支承系统和可变节流孔装置，故有较好的横向特性。在此基础上，我国郑武线200 km/h以上正线试验中，浦镇车辆厂研制的PW-200型转向架上
2
兰州交通大学本科毕业设计（论文）
采用了新型的大柔度SYS600F型空气弹簧，提高了车辆的稳定性和平稳性。空气弹簧在磁悬浮列车上的应用是关键技术。磁悬浮列车上一般采用的是自由膜式空气弹簧，因为它的刚度较小，能够满足磁悬浮列车在高速运行时的悬架需要。作为磁悬浮列车转向架上重要的悬架部件之一，空气悬架系统的性能直接关系到车辆的运行质量，因此各个国家对空气悬架结构的研究都投入了很大力度。
1.3 国内空气弹簧研究及应用现状
我国在铁道车辆上已先后研制出双曲囊式、半约束膜式、全约束膜式和自由膜式四种型式的空气弹簧。截至目前为止，只有自由膜式空气弹簧成批使用，其余两种约束膜式空气弹簧仍处于试验阶段。囊式空气弹簧，由于横向刚度达不到设计要求，己被淘汰。近年来，由于铁路的提速，高速公路的迅速发展，不管是铁路机车车辆,还是汽车对舒适性的要求都越来越高，国内对空气悬架理论研究及产品开发工作又重新重视起来。交通部重庆公路科学研究所的丁良旭对空气悬架的性能进行了计算机模拟，拟合了空气弹簧的特性曲线;华南理工大学的马越对空气悬架的振动传递特性进行了研究;唐山机车车辆厂的陆海英对高柔性空气弹簧进行了研究;北京交通大学的谢基龙、郑红霞等采用非线性有限元软件对空气弹簧的非线性刚度特性进行研究;铁道部科学研究院的王成国、方凯等应用有限元分析软件，计算和研究空气弹簧的各项力学特性，并就影响横向和垂向力学性能的各种主要参数进行讨论;铁道部四方车辆研究所的张广世分析大变形几何非线性工况下胶囊与金属裙板接触形成的非线性接触问题，讨论空气弹簧各参数组合对空气弹簧横向特性的影响;同济大学的陆正刚提出气动主动悬挂、阀控气动悬挂和半主动悬挂模式，但均未见其实际应用于机车车辆上;沈钢、赵洪伦等运用非线性有限元分析技术，研究由多层正交异性复合材料组成的高速客车空气弹簧的非线性横向刚度特性。目前，国内空气弹簧的开发研制主要还是采用试验的方法，对空气弹簧动力学特性、电子控制及计算机仿真的研究已经起步，一些学者已开展了一定的研究工作，但其研究内容一般都侧重于空气弹簧计算的某个方面，没有能比较系统、全面地分析空气弹簧的综合力学性能及其控制模式。
1.4 非线性动力学内容方法和意义
对非线性现象的研究需要多个学科的交叉。纯粹和应用数学理论如动态系统理论、奇异性理论、摄动理论等，理论和实验力学概念和方法如工程现象的力学建模、应用力学规律解释动力学行为、固体和流体系统实验研究等，以及电子计算机的数值和符号运
3