2011毕业设计

兰州交通大学本科毕业设计(论文)

空载和满载时车身高度相同,悬架的固有频率基本不变。根据需要可以选择不同的气囊高度,获得理想的固有频率,从而得到良好的行驶平顺性。

(2)空气悬架质量轻,弹簧刚度低,高速行驶时,轮胎与地面的附着能力强,制动距离短;转向时,过多转向和不足转向倾向减小,转向稳定性强,提高了整车的操纵稳定性。 (3)空气弹簧内的空气压力直接反映了簧上质量,可取空气压力作为信号,控制制动缸铁道车辆悬架是火车上连接车轮与车身,传递车轮和车身之间一切力和力矩的重要总成。悬架系统可以有效缓车身的振动和冲击载荷,衰减由此引起的簧上质量的振动,以保证铁道车辆平顺地行驶。空气弹簧悬架系统由空气弹簧、导向机构和减振器等三部分组成,另外还包括缓冲块和横向稳定杆等。来控制制动时的制动力,更好地保证行驶地安全性。

(4)可以通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上,降低车身高度,保持空气阻力系数为最佳值,可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。

(5)减少整车的振动噪声,提高了零部件的使用寿命。

2.1.3 空气弹簧的结构型式

空气弹簧大体上是由上盖、气囊、下座(或活塞)组成,气囊与上盖、下座接口的连接一般分为自封式、螺栓固定式和密封式3种,自封式结构简单、拆装方便,被普遍采用。目前,空气弹簧按气囊结构型式一般划分为囊式、膜式和复合式3大类。

1.囊式空气弹簧

囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的屈挠度来获得弹性变形,有单曲式、双曲式、三曲式和四曲式等4种,双曲以上时,两曲囊之间均用镀锌或包胶的金属胶环分隔各曲囊,以防胶囊在充气时产生径向膨胀或两断面之间的摩擦,如图2-1所示。

囊式空气弹簧的独特特点是:

(1)曲囊数越多,刚度越小,但曲囊太多则易降低空气弹簧的横向稳定性,一般以四曲为限。

(2)囊式空气弹簧有效面积变化率大,压缩时其受压面积增大,伸张时受压面积减小,这种弹簧的刚度较大,振动频率较高。

2.膜式空气弹簧

根据不同的运动方式和承载能力,膜式空气弹簧的形式也多样化。一般用膜式空气弹簧为滚膜式,它主要靠气囊的卷曲来获得弹性变形,如图2-2所示。

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(1)膜式空气弹簧有效受压面积与挠曲变形的关系随活塞的形状变化。对活塞形状的合理设计,可以有效地控制其有效面积地变化率,得到理想的弹性特性曲线。

(2)无论是压缩或伸张,膜式空气弹簧的有效面积都无显著变化。 (3)即使无附加气室,仍有较低的振动频率。

(4)膜式空气弹簧结构、制造工艺简单,便于大量生产。 3.复合式空气弹簧

这种空气弹簧综合了囊式和膜式两种弹簧的优点,但由于制造复杂,目前采用的较少,如图2.3所示。

图2.1 囊式空气弹簧 图2.2 模式空气弹簧

图2.3 复合式空气弹簧

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2.2 建立空气弹簧悬架的动力学模型

空气弹簧悬架是一种典型的非线性悬架,它一般由上盖、气囊、下底座(或活塞)组成,上盖和底座由金属制成,中间的气囊部分由橡胶材料制成。它不但具有非线性刚度特性,而且具有材料非线性、接触非线性和几何非线性,橡胶材料表现出弹性的高度非线性,其帘线层呈现出复杂的各向异性和非线性特性,在空气弹簧悬架振动的过程中,橡胶气囊内部气体体积要发生变化,发生气固祸合,同时橡胶气囊与底座和上盖板发生接触,在接触的过程中,接触面的面积和压力分布随外载荷的变化而变化,并与接触体的刚性有关。为便于进行非线性动力学分析,将其进行简化为2.4,无论将空气弹簧悬架简化为两个弹簧与一个阻尼器并联,还是三个弹簧与一个阻尼器并联,都可以进一步简化,将其简化为一个弹簧和一个阻尼器并联结构,其动力学模型如图2.4所示。根据以下理论和试验分析,空气弹簧悬架的动力学模型可以用多项式模型来表示,经过分析其刚度为多项式,而其阻尼系数较小且变化不大,可以认为其为定值。

图2.4空气弹簧悬架的动力学模型

2.3 空气弹簧刚度弹性分析

理论推导:由热力学可知,当空气悬架处于压缩行程时,由于空气弹簧的体积减少,使得空气弹簧中的气体被压缩,由挤压产生的能量转化成了热能,这样气压和温度就会增加。气囊内的气压随着体积变化的速度与方向而变化。在等温、绝热或多元的热力学变化过程中,弹簧的刚度和位移之间的变化规律是不同的。所有的气体在压缩过程被加热,在膨胀过程中会降温,如果气囊的行程变化过程缓慢,热量会散失,可以看成是一种等温变化过程。在等温变化过程中,压力计算较简单。空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧的压缩气体(即空气)。容积比和压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的性

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能。

根据理想气体状态方程,空气弹簧内气体压力与体积满足;

(pr?p?)Vm?cons t (2-1)

式中:pr 为空气弹簧内气体压力;p?为大气压力:m为多变指数

指数m的选择取决于弹簧变形的速度。当研究弹簧的静态特性时,其振动速度较慢,把它认为等温过程,m=1,当研究弹簧的动态特性时,其振动速度较快,把它认为绝热过程,m=1.4,在考虑大气压力的情况下,空气弹簧的承载能力由下式(2-2)得出。

W?prS (2-2)

式中:牙一空气弹簧的负荷,S一气囊的有效面积(气囊的水平截面面积)

空气弹簧的刚度可以通过对弹簧行程求导得出。

Ks?(pr?p?)SV2?prdsdx (2-3)

空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩气体(即空气)。空气弹簧受力时,可以通过载荷对空气弹簧位移求导得到,通过空气弹簧内部的热力学过程分析得到,弹簧变形速度不同,刚度就不同。f>0.2Hz时,m=1.4,为动刚度。

Kd?m(pr?p?)SV2?prdsdx (2-4)

当f<0.2Hz时,m=1,为静刚度。

Ks?(pr?p?)SV2?prdsdx (2-5)

式中:pr为空气弹簧内气体的表压力;p?为大气压力;m为多变指数;多变指数。m的选择取决于弹簧变形的速度。

分析空气弹簧的有效面积变化率,空气弹簧有效面积和位移呈线性关系

S?Dx?S0 (2-6) 将式(2-6)代入式(2-4)可以计算出;

K?m(pr?p?)2(Dx?S0)V?prD2?prD?mD(pr?p?)V2x?22mDS0(pr?p?)Vx?mS0(pr?p?)V (2-7)

从式(2-7)中可以看出,空气弹簧悬架的刚度是位移的二次多项式,因而其非线性恢

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